Section 01 Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos

III. Physique des particules

La physique des particules s'attache à l'étude des interactions entre les constituants fondamentaux de la matière, à la compréhension de l'origine de leur masse et enfin aux symétries discrètes d'espace et de temps. La description qu'elle dresse au niveau microscopique permet de faire le lien avec les observations astrophysiques et cosmologiques, avec notamment la recherche de matière noire.

Le modèle standard de la physique des particules a été élaboré depuis les années 60. Il s'agit d'une théorie quantique des champs, renormalisable, qui introduit trois interactions fondamentales : forte, assurant la cohésion des noyaux, faible, responsable de la radioactivité par exemple, et électro-magnétique. Les particules élémentaires se classent en particules de champs de matière, les fermions, et les particules médiatrices des interactions, les bosons. Il y a trois familles de fermions, chacune comportant deux quarks et deux leptons, un lepton chargé et son neutrino associé. À chaque particule correspond également son antiparticule. Dans le modèle standard, le mécanisme donnant leur masse aux particules est le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, qui prédit l'existence d'un boson, dit boson de Higgs.

Bien que confirmé par un grand nombre de mesures, notamment dans le secteur électrofaible, le modèle standard apparaît comme incomplet, i.e. une description qui doit être incluse dans un contexte théorique plus large. En particulier, il n'explique pas l'asymétrie observée entre matière et antimatière dans l'univers et ne rend pas compte dans sa formulation présente du caractère massif des neutrinos. Il n'offre pas non plus de candidat valable à la matière noire.

De nombreuses théories sont développées et testées auprès des collisionneurs. Elles font l'objet de recherches directes, via la mise en évidence de nouvelles particules, ou indirectes, via la détection de déviations dans les propriétés des particules observées. Dans le domaine des hautes énergies, après le LEP, les équipes françaises se sont investies massivement sur les expériences auprès de collisionneurs hadroniques du Tevatron et du LHC, qui permettent l'étude précise de la violation de CP et la recherche de ces signes de nouvelle physique. Entamé depuis 2010, ce programme devrait se poursuivre pendant les 15 prochaines années et devrait être complété par une participation au programme du futur collisionneur e+e-. Dans le domaine des neutrinos, les expériences concernent aussi bien la détermination précise de la matrice gouvernant les oscillations des neutrinos, que la détermination de sa nature. En France, elles concernent des expériences situées auprès des réacteurs, comme auprès de faisceaux de neutrinos, présents et futurs.

A. Boson de Higgs

L'observation en 2012 par les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC d'un nouveau boson, a priori compatible avec le boson de Higgs du modèle standard imaginé il y a près de 50 ans par Brout, Englert et Higgs (prix Nobel 2013), constitue une avancée fondamentale pour la discipline. Elle ouvre en effet la porte à une compréhension plus fine du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et de la génération des masses des particules élémentaires, l'une des questions les plus importantes de notre domaine. L'étude détaillée qui commence des propriétés de ce boson, et en particulier de ses couplages aux particules élémentaires, est d'une portée majeure : toute déviation même minime par rapport aux prédictions du modèle standard sera le signe de nouvelle physique.

Le boson observé a une masse relativement faible, d'environ 125 GeV. Antérieurement à la découverte au LHC, ce domaine de masse était déjà favorisé par plusieurs observations expérimentales : les ajustements globaux de nombreuses observables dont la mesure précise en particulier auprès du collisionneur LEP conduisait à des contraintes indirectes sur cette masse ; la recherche directe et infructueuse au LEP qui impliquait une masse supérieure à 114 GeV ; et finalement un excès d'événements compatibles avec une masse d'un boson de Higgs entre 115 et 140 GeV, obtenu par les expériences CDF et D0 auprès du collisionneur Tevatron près de Chicago.

La contribution de la communauté française à l'ensemble de ces résultats expérimentaux auprès notamment des machines LEP et Tevatron a été très importante. Le rôle joué par les groupes français d'ATLAS et CMS pour la découverte du boson de Higgs est majeur. Cette découverte a en effet été obtenue dans les canaux de désintégration en deux photons (H→γγ), et en deux bosons (ZZ* ou WW*), avec décroissances des Z et W en électrons ou en muons. Dès la conception des deux détecteurs, la communauté française a eu un rôle moteur dans la calorimétrie électromagnétique, avec au cœur de la stratégie la volonté d'optimiser le potentiel de découverte, en particulier via le canal H→γγ. Ces investissements ont été poursuivis par un travail de fond sur l'identification des particules afférentes (γ, électrons, muons) et les analyses physiques de recherche du boson de Higgs (H→γγ et H→ZZ* en leptons).

Les mesures des propriétés du boson de Higgs sont affinées actuellement grâce à l'ensemble des données du Run 1. Le spin et la parité, comme le nombre d'événements observés dans les différents canaux, sont largement compatibles avec les attentes pour un boson de Higgs du modèle standard. La masse est dorénavant mesurée avec une précision d'environ 3 pour mille, et une limite supérieure sur la largeur totale a été obtenue. Ces succès et les espoirs que suscite la prochaine prise de données ont conforté le LHC dans son rôle de projet international prioritaire et sans équivalent dans le domaine.

La prochaine étape majeure est le Run 2 (ou Phase 0) du LHC, qui fournira de 2015 à 2018 environ dix fois plus d'événements intéressants pour l'étude du boson de Higgs que le Run 1, à une énergie dans le centre de masse presque doublée. L'un des objectifs principaux sera l'étude des couplages du boson de Higgs aux fermions : la désintégration en leptons tau pourra être mesurée plus précisément, et la désintégration en deux quarks bottom pourra être établie. L'étude du couplage au quark top est également essentielle, ce dernier jouant un rôle particulier du fait de sa masse très élevée. Pour ce faire, la production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top sera recherchée. Pour toutes ces études, la trajectographie et l'identification des jets de quark bottom sont des éléments essentiels. Là aussi, les groupes français ont eu un impact majeur dans la conception et construction des détecteurs (pixels pour ATLAS, micro-pistes pour CMS), leur utilisation pour l'identification des vertex déplacés des jets b, et les analyses de physique reliées. Les données du Run 2 permettront d'étudier en détail les couplages du boson de Higgs, d'étudier différents modes de production, et d'éventuellement de découvrir d'autres bosons de type Higgs et/ou de tester si cette particule est élémentaire ou composite. Ce travail sera poursuivi grâce à la Phase 1 (triplement de la quantité de données sur la période 2018-2021) pour laquelle des modifications des détecteurs sont en cours d'étude.

La phase à haute luminosité du LHC ou Phase 2, en décuplant à nouveau la statistique à l'horizon 2030 (3000 fb-1 par expérience), doit permettre d'atteindre une précision sur les couplages de 5 % (bosons) à 10 % (fermions), soit un facteur 2 d'amélioration par rapport à la Phase 1 ; d'observer les désintégrations rares (H→μμ, H→Zγ, etc.) et de rechercher de nouveaux bosons de Higgs au-delà du modèle standard. La production de deux bosons de Higgs pour étudier l'auto-couplage du Higgs, un paramètre majeur, devrait être également accessible. Une amélioration substantielle des détecteurs ATLAS et CMS est cependant nécessaire pour qu'ils puissent résister au très haut flux de particules attendu dans cette phase, les R&D sur ces aspects débutent actuellement.

La communauté française est également impliquée de longue date dans la R&D (détecteurs : calorimétrie ultra-granulaire et détecteurs de vertex, mais aussi accélérateur) pour un futur collisionneur linéaire ILC. Celui-ci pourrait être construit au Japon et être opérationnel à partir de 2025. Cette machine, dans une configuration avec au moins 500 GeV d'énergie dans le centre de masse, permettrait d'améliorer notablement la précision sur la mesure des couplages du boson de Higgs, dans un environnement e+e- plus simple qu'au LHC. Finalement, notons que l'exploration du potentiel de physique qu'aurait une possible future machine circulaire post-LHC dans un tunnel d'environ 80 km de circonférence a également débuté.

B. Physique des saveurs

La physique des saveurs a longtemps été perçue comme un outil de précision pour tester le modèle standard. Les expériences BaBar et Belle, installées auprès des usines à B, ont permis de valider le mécanisme de Kobayashi-Maskawa comme source de la violation de la symétrie CP, et d'observer pour la première fois la violation de CP prédite pour les mésons B0d et B+. Grâce à plusieurs milliards de mésons B produits et à de nombreux modes de désintégration étudiés, ces deux expériences ont permis de mesurer avec une précision inédite de nombreuses observables permettant de contraindre fortement les paramètres de la matrice CKM, qui permet de relier les états propres de saveur aux états propres de masse. La grande cohérence et la redondance des mesures obtenues n'ont à ce jour pas permis de prendre en défaut les prédictions du modèle standard. Nous savons cependant que la violation de CP du modèle standard n'est pas suffisante pour décrire l'asymétrie entre matière et antimatière dans l'Univers, et qu'une explication possible pourrait être l'existence d'autres sources de violation de CP dans des théories au-delà du modèle standard.

L'étude des désintégrations rares et celle de la violation de CP sont des outils privilégiés pour la recherche indirecte des signes de physique au-delà du modèle standard. Ces processus peuvent en effet être sensibles à des contributions dues à de la nouvelle physique, par l'intermédiaire d'effets quantiques mettant en jeu des particules virtuelles massives. Ils permettent donc d'accéder à l'échelle de masse et aux couplages de la nouvelle physique au-delà du seuil de production directe. De telles mesures permettent ainsi de compléter utilement les recherches directes menées au LHC dans des expériences comme CMS ou ATLAS, en contraignant les modèles de nouvelle physique compatibles avec les observations expérimentales dans le secteur de la saveur.

Sur le plan expérimental, le panorama des expériences a évolué ces dernières années, avec dans le secteur des Kaons la fin de NA48, et dans le secteur de la Beauté celle de BaBar ainsi que l'abandon du projet italien de super usine à B à Frascati. La communauté française est donc essentiellement concentrée sur LHCb et ses upgrades, et n'est plus présente dans le secteur des K. Notons également qu'au Japon, le projet de super usine à B, Belle II, devrait démarrer prochainement. Belle II est un collisionneur asymétrique e+e prévu pour atteindre une luminosité nominale de 8 × 1035 cm–2 s–1, soit 50 fois plus que celle de KEK et de PEPII. La question d'une éventuelle participation française a été évoquée mais ne semble plus à ce jour d'actualité.

La période 2011-2012 a été particulièrement fructueuse pour LHCb. Les précisions obtenues dans le secteur du B0d et du B+ sont d'ores et déjà supérieures à celles des usines à B pour les modes accessibles avec des collisionneurs hadroniques, et les résultats obtenus dans le secteur du B0S ont largement dépassé ceux du Tevatron et sont en bon accord avec le modèle standard. La désintégration B0s → μ+μ-, l'un des modes phares, a ainsi été observée pour la première fois, à la valeur prédite par le modèle standard, et ces résultats permettent d'exclure de larges régions de l'espace des paramètres de modèles spécifiques. À l'horizon 2017, l'expérience LHCb aura accumulé 5 fb-1 de données, et les sensibilités sur les observables phares seront comparables aux valeurs attendues du modèle standard.

Il semble désormais acquis que les effets de nouvelle physique, s'ils existent, se manifestent par des déviations extrêmement faibles par rapport aux prédictions du modèle standard, et nécessitent donc des mesures de précision basées sur des échantillons de très haute statistique. Pour cela, LHCb s'est engagé dans une jouvence du détecteur qui permettra à ce dernier de fonctionner à partir de 2019 à une luminosité instantanée de 1033 cm–2 s–1 et de collecter environ 50 fb–1 au bout de 10 ans. Ceci devrait permettre d'améliorer les précisions expérimentales sur les observables phares par au moins un ordre de grandeur.

C. Neutrinos

Les résultats obtenus au cours des deux dernières décennies dans le domaine du neutrino ont bouleversé le paysage de la physique des particules. Les travaux menés en France ces quatre dernières années se sont concentrés sur des activités liées aux questions qui subsistent dans le domaine du neutrino malgré le progrès réalisé. Elles permettront également d'apporter des explications dans d'autres domaines de la physique des particules comme celle de la violation de parité de la matière baryonique.

1. Oscillations des neutrinos : la matrice PMNS

Le phénomène des oscillations des neutrinos produits naturellement (atmosphériques et solaires) ou artificiellement (faisceaux et réacteurs) a été confirmé et exploré récemment par plusieurs expériences à travers le monde dont OPERA, Borexino, Double Chooz et T2K dans lesquelles les groupes français ont participé activement. OPERA a pu mettre en évidence l'oscillation des neutrinos muoniques en neutrinos tau en observant l'apparition de ces derniers grâce à la détection des leptons tau issus de l'interaction par courant chargé. Trois événements d'apparition ont ainsi été observés et l'analyse se poursuit pour compléter l'exploitation des données de cette expérience qui est arrivée à son terme avec l'arrêt du faisceau CNGS fin 2012.

Deux autres expériences ont apporté des résultats d'une grande importance. Ce sont l'expérience Double Chooz et l'expérience T2K au Japon. Double Chooz a repris le principe de l'expérience Chooz pour améliorer la détermination de l'angle θ13, mesuré pour la première fois à Daya Bay en étudiant le taux de disparition des anti-neutrinos produits par les deux réacteurs nucléaires situés à courte distance. Double Chooz entendait réaliser une mesure de cet angle en améliorant les incertitudes systématiques grâce à une meilleure compréhension du détecteur et du spectre des anti-neutrinos en première phase. En 2011 Double Chooz avait fourni une première indication sur la grande valeur de θ13 avec une mesure de sin2(2θ13) de l'ordre de 0.10. Elle devrait réduire ces incertitudes prochainement en utilisant deux détecteurs similaires à deux distances différentes par rapport aux réacteurs en deuxième phase. T2K exploite un faisceau de neutrinos muoniques, envoyé de JPARC vers le détecteur SuperKamiokande. La mesure du taux d'apparition des neutrinos de type électronique et la disparition de ceux muoniques à 295 km est étudiée en comparant les taux de ces derniers à l'aide d'un détecteur proche situé à 280 m. L'expérience T2K a pu dès 2011 observer la production de neutrinos électroniques compatible avec un grand angle θ13. L'augmentation de la statistique au cours des années suivantes a permis de confirmer la découverte du phénomène d'apparition de neutrinos électroniques dans le faisceau muonique. Les deux expériences ont clairement indiqué que l'angle de mélange θ13 est assez grand. Ces résultats ont été confirmés aussi par les deux expériences sur réacteur Daya-Bay en Chine et RENO en Corée. Elles ont pu, en effet, mesurer cet angle avec une meilleure précision. La valeur mesurée de l'angle θ13 permet d'espérer de mesurer un autre paramètre d'une importance capitale. Il s'agit de la phase δ qui caractérise la violation de CP dans le secteur des neutrinos.

La mesure de cette phase δ ainsi que la détermination de la hiérarchie de masse sont à l'origine de beaucoup d'activités R&D menées en France. Ces activités s'articulent autour du développement des détecteurs de grande masse capables de détecter efficacement des interactions de neutrinos de gammes d'énergie différentes sur des faisceaux de neutrino. Différentes technologies de détection (eau-Tcherenkov, liquide scintillant ou argon liquide) sont activement poursuivies. En plus des activités sur les détecteurs, les groupes français s'intéressent au développement des faisceaux intenses de neutrinos comme ceux étudiés dans les projets Laguna-LBNO et ESS.

2. Recherche des neutrinos stériles

Les résultats obtenus par l'expérience LSND et ceux des mesures de calibration des expériences GALLEX et SAGE sont difficilement conciliables avec un scénario de trois familles de neutrinos actifs. L'hypothèse de l'existence de neutrinos stériles est très attrayante. Pour rechercher ces neutrinos l'utilisation des sources nucléaires intenses ou des réacteurs nucléaires semblent deux scénarios privilégiés.

Les groupes français se sont fortement impliqués dans cette recherche. Le détecteur NUCIFER destiné à l'origine pour la non-prolifération devrait permettre de chercher des indications sur l'existence de ces neutrinos. Un autre projet appelé STEREO spécialement conçu pour la recherche de neutrinos stériles auprès du réacteur nucléaire compact ILL est actuellement en construction et pourrait apporter une réponse solide quant à l'origine des anomalies réacteurs et Gallium.

3. Nature de neutrinos

La nature des neutrinos (Dirac ou Majorana) est une des questions essentielles de la physique des neutrinos. Les expériences d'émission de deux électrons sans neutrino (0νββ) sont les plus susceptibles de répondre à la question. En France, les activités dans ce domaine se concentrent autour du projet SuperNemo, dans la continuité de l'expérience Nemo, basée sur la technique de l'association trajectographe-calorimètre. Le but est d'atteindre des sensibilités sur les masses de l'ordre de 0.04-0.1 eV après quelques années de prises de données. Après avoir développé un détecteur (BIPO) permettant de mesurer la radioactivité des sources avec une sensibilité remarquable, la construction d'un démonstrateur du SuperNemo est en cours pour valider le concept avec l'utilisation de Selenium-82 comme source double beta.

D. Recherche de nouvelle physique

Malgré ses succès, le modèle standard de la physique des particules apparaît comme une théorie effective issue d'une théorie sous jacente plus fondamentale. La description du modèle standard présente en effet des écueils expérimentaux, par exemple absence de candidat de matière noire ou caractère massif des neutrinos non inclus dans sa forme actuelle. L'existence de nouvelle physique apparaît donc nécessaire pour résoudre ces problèmes.

La recherche directe de physique au-delà du modèle standard se concentre pour une grande part sur les recherches auprès du LHC avec les expériences ATLAS et CMS. Les expériences auprès du LHC ont fourni leurs premiers résultats basés sur un lot d'événements correspondant à une luminosité intégrée délivrée dépassant 28 fb-1 à une énergie de 7 et 8 TeV dans le centre de masse au cours des prises de données de 2011 et 2012.

L'existence d'une nouvelle physique, se manifestant par l'apparition de nouveaux phénomènes (nouvelle particule, résonance, section efficace modifiée, asymétries, couplages anormaux...) n'a cependant pas été mise en évidence au Run 1 du LHC. Ces premiers résultats conduisent à des contraintes fortes sur les paramètres de nombreux modèles proposés pour décrire une éventuelle nouvelle physique. Par exemple les extensions supersymétriques les plus simples ainsi que les modèles de dimensions supplémentaires se trouvent déjà fortement contraints. D'autres tels que les modèles de technicouleur ont été pratiquement invalidés à la lumière de la découverte d'un boson de Higgs, car ne prédisant pas l'existence d'un tel champ scalaire.

1. La supersymétrie

Les extensions supersymétriques du modèle standard prédisent l'existence d'au moins un partenaire supersymétrique à chacune des particules connues du modèle standard. Elles ont également la vertu de faciliter l'unification des couplages des interactions électrofaibles et fortes à des échelles d'énergie de la grande unification. Elles nécessitent également l'extension du secteur des champs de Higgs, chaque boson de Higgs qui en est issu ayant alors lui même son partenaire supersymétrique (higgsino).

La présence de la supersymétrie se manifeste par des événements avec un grand nombre de jets, des leptons isolés (dans certaines configurations il s'agit majoritairement des leptons tau) et de l'énergie manquante.

Les squarks et les gluinos portant une charge de couleur, ces particules seraient les particules supersymétriques les plus abondamment produites au LHC si leur masse est suffisamment faible. Avec les premières données du LHC, des masses inférieures de l'ordre de 1 000 GeV sont exclues (∼ 1 500 GeV dans des modèles simplifiés).

La particule supersymétrique la plus légère, à savoir dans de très nombreux cas le neutralino le plus léger, possède toutes les propriétés pour être un candidat à la matière noire qui constitue de l'ordre de 23 % du contenu matière/énergie de notre univers.

2. Autres modèles

Plusieurs modèles non supersymétriques prédisent la production d'octets de couleur scalaires, comme par exemple de type vector-like quarks. Ces particules hypothétiques ne reçoivent pas leurs masses à travers un couplage de type Yukawa et sont donc encore compatibles avec les données expérimentales après la découverte du boson de Higgs. Les analyses actuelles ont déjà exclu les masses en dessous 600/800 GeV. En revanche, pour les modèles impliquant des quarks de type 4e génération, ils sont totalement exclus par les mesures récentes de section efficaces de production du boson de Higgs.

3. Perspectives de recherche

En ce qui concerne les recherches de nouvelle physique, l'énergie dans le centre de masse est le paramètre essentiel, beaucoup plus que la luminosité. Les limites « naturelles » d'exclusion (ou de découverte) devraient être atteintes assez rapidement après l'augmentation en énergie de 8 TeV à ∼ 14 TeV en 2015. Il est essentiel de soutenir les liens déjà étroits entre la communauté des expérimentateurs du LHC et les communautés des théoriciens, tout en renforçant les liens avec les physiciens travaillant à la détection de la matière noire.

Par essence les découvertes de nouveautés sont imprévisibles et apparaissent souvent comme des surprises inattendues. L'un des enjeux pour les équipes du CNRS réside dans la préparation des analyses pour le prochain run du LHC à 14 TeV, ainsi que dans leur réactivité et leurs capacités d'adaptation face à la découverte de nouvelle physique qui provoquerait dans la communauté une mobilisation des forces sans précédent.