La physique des particules au dmarrage du LHC

La physique des particules au démarrage du LHC L. Poggioli, LAL, Orsay Conférence CNAM, 28/05/2008 Environnement Particules & Interactions, Univers Cadre Description des 4 interactions, Modèle Standard Apport du LHC Higgs, Matière Noire, Gravitation 1

Environnement • Physique des particules • Particules & interactions • Notre Univers 2

La recherche fondamentale ü Les étapes – Observation – Abstraction – Modélisation – Prédiction ü Exemples – La classification périodique des éléménts – La Gravitation – Mais aussi : La Relativité Générale CNAM-28/05/08 L. Poggioli 3

La physique des particules ü But – Compréhension des forces fondamentales qui régissent l’univers ü Moyens – Étude des constituants ultimes de la matière et de leurs interactions • Éliminer les effets collectifs (atomiques, nucléaires) et accéder aux forces fondamentales ü Comment – Regarder à très petite distance/très haute énergie/très haute température/très tôt dans l’histoire de l’Univers – Echelles • e. V atome CNAM-28/05/08 Me. V noyau L. Poggioli Ge. V proton Te. V ? ? 4

Les Interactions ü Gravitation (Newton 1687, Einstein 1915) – Portée ∞, très faible intensité ü Electromagnétique (Maxwell 1860) – Portée ∞, unification électricité et magnétisme ü Faible (Becquerel 1896, Fermi 1933) – Courte portée, présente à l’échelle du noyau – Désintégration β, fusion dans les étoiles ü Forte (Rutherford 1911) – Courte portée, présente à l’échelle du noyau – Cohésion du noyau (répulsion des protons) CNAM-28/05/08 L. Poggioli 5

Les particules ü Leptons : force faible & électromagnétique – Électron, Muon (Hess 1937), Tau (Perl 1977) – Neutrinos associés (Pauli 1930, Steinberger 1962) • νe introduit par Pauli pour comprendre la désintegration beta ü Hadrons : force forte & électromagnétique – Plusieurs particules (ex. K, , ) -> Modèle des quarks (Gell-Mann 1964) puis des partons (Feynman 1970) • 6 quarks fabriquent tous les hadrons • u, d, s , c (Richter Ting 1974), b (Lederman 1976), t (1994) ü Vecteurs de force – (élect. ), W/Z (Faible Rubbia 1983), gluon (forte) – W/Z massifs car force à courte portée CNAM-28/05/08 L. Poggioli 6

Particules : Résumé 3 familles Matière Fermions (Leptons & Quarks) Spin 1/2 Vecteurs de force Bosons Spin 0, 1, 2 Spin : degré de liberté interne ü Antimatière – – – e+ observé dans les rayons cosmiques (Anderson 1932) Déficit énorme antimatière (10 -10) Asymétrie existe dans les interactions faibles (K, B) • Pas suffisante pour expliquer le déficit • D’autres conditions/explications sont investiguées CNAM-28/05/08 L. Poggioli 7

Notre Univers : le Big-Bang 10 -44 s / 1019 Ge. V Supercordes ? 4 interactions unifiées 10 -37 s / 1015 Ge. V Soupe de particules éléméntaires Interaction unique forte-faible-EM 10 -12 s / 1000 Ge. V L’échelle du LHC CNAM-28/05/08 300000 ans Formation des atomes L’Univers devient transparent Rayonnement fossile (CMB) L. Poggioli 8

Notre Univers (2) ü Rayonnement fossile (CMB) – Rayonnement de corps noir à 3 K (COBE) -> Expansion de l’Univers – Anisotropie du rayonnement (WMAP) -> Composition de l’Univers -> Graines pour la formation des structures ü Etude des Galaxies – Pas de dispersion des amas – Vitesse de rotation des galaxies -> Matière cachée CNAM-28/05/08 L. Poggioli 9

Notre Univers (3) ü Etude des Super. Novae -> Expansion de l’Univers accéléré (SNLS 1999) ü Composition de l’Univers – Matière ordinaire 4% – Matière Noire 23% – Energie noire 72% ü Apports du LHC Stars Dark Energy (0. 5%) – Sur l’Unification des (72%) Baryonic DM (4%) CNAM-28/05/08 Non-baryonic DM (23%) L. Poggioli interactions – Sur la matière noire – Sur l’Energie noire via la Gravitation ? 10

Cadre • Théories de jauge • Le Modèle Standard • Succès & Limites 11

Les théories de jauge (1) ü Théorie quantique relativiste – Allie Mécanique Quantique & Relativité ü Interaction – Véhiculée par des champs de jauge (bosons) – Couplant des courants de matière (fermions) ü Dynamique – Interaction possède des symétries • i. e. invariante sous des transformations d’un groupe de jauge • Ex: Invariance des équations de Maxwell -> Transformation de Lorentz – Invariance locale crée la dynamique de l’interaction ü 1 er Succès : l’ Electrodynamique Quantique (Tomonaga Schwinger Feynman 1948) CNAM-28/05/08 L. Poggioli 12

Les théories de jauge (2) ü Ex : l’Electrodynamique quantique – Groupe de symétrie U(1) (rotations) – Base : vertex courant/champ avec force 1/2 ( =1/137) ü Calcul de diffusion e+e- Diagramme de Feynman – Chaque contribution s’ajoute : O( 2)+O( 3)+… converge -> La théorie est renormalisable CNAM-28/05/08 L. Poggioli 13

Le Modèle Standard : Histoire ü Tentative d’unification de l’interaction faible & électromagnétique – Avec messagers de masse ≠ 0 diverge (Fermi, portée finie des int. faibles) ü Succès des théories de jauge (Yang-Mills 1950) – Mais W, Z et fermions gardent une masse nulle ü Le Breakthrough (Weinberg, Glashow, Salam 1967) – Description unifiée (Groupe SU(2)x. U(1)) – Symétrie brisée à nos énergies m( )=0, m(W, Z) ≠ 0 – La symétrie est spontanément brisée via le méchanisme de Higgs (Cf. Ferromagnétisme) • Donne une masse au W, Z, fermions • Prédit l’existence du boson de Higgs CNAM-28/05/08 L. Poggioli 14

Le mécanisme de Higgs Champ de Higgs Particule Interaction Particule Champ de Higgs -> Masse Cf. Phonons en Physique du solide Propagation du Champ de Higgs Le Higgs acquiert une masse ü En 2 mots – Le Higgs remplit le vide et le rend plus stable – Le couplage du Higgs qux particules génère leur masse CNAM-28/05/08 L. Poggioli 15

Le Modèle Standard : Triomphe ü Il est renormalisable ‘t Hooft Veltman 1970 ü Quark charmé nécessaire à la consistance du MS -> Observé en 1974 ü Prédictions vérifiées au O(0. 1%) au LEP au CERN – « Prédit » la masse du quark top Observé en 1994 – 3 générations de neutrinos ü Théorie de jauge des intéractions fortes intégrée dans MS Gross, Politzer, Wilcek 1973 – Symétrie SU(3) non-brisée – Présente la liberté asymptotique (force augmente avec la distance pour cohésion des nucléons) • Observée en 1970 (Taylor et al. ) -> Modèle des partons CNAM-28/05/08 L. Poggioli 16

Modèle Standard : Ce qui manque ü Trop de paramètres libres (19!) ü Ne dit rien sur – La masse du Higgs – La masse des neutrinos – Un candidat possible à la Matière Noire ü N’inclut pas la Gravité ü Pas d’unification des 3 interactions de jauge Mais plus qu’un modèle : une Théorie !! CNAM-28/05/08 L. Poggioli 17

Le problème de Hiérarchie ü Le problème – Comment stabiliser le MS du O(Te. V) jusqu’à l’échelle de Gravitation, i. e. MPlanck=1019 Ge. V ? – Ou Pourquoi une telle différence d ’échelle entre la Gravité & les autres interactions ? ü Dans les faits – Les corrections à la masse du Higgs envoient MH -> ∞ CNAM-28/05/08 or MH < 1 Te. V dans MS L. Poggioli 18

Les alternatives ü Alt 1: Supersymétrie – Chaque particule -> partenaire SUSY • Résout le problème de hiérarchie si O(Te. V) ü Alt 2: Dimensions supplémentaires – Gravité « forte » mais diluée dans des extra dimensions -> MPlanck effective O(Te. V) ü Alt 3 Pas de Higgs : Technicouleur – Nouvelle interaction forte O(Te. V) • Plus de scalaire -> plus de problème de hiérarchie • Brisure de symétrie dynamique • Peu favorisée par mesures à LEP CNAM-28/05/08 L. Poggioli 19

Apport du LHC • Higgs • Supersymétrie • Extra Dimensions • Trous Noirs 20

Higgs : Où le cher ü Théorie -> m. H < Te. V – Arguments de trivialité & stabilité – Régularise l’amplitude WLWL->WLWL O(Te. V) Λ : Echelle de validité du MS ü Expérimental – m. H>114. 4 Ge. V (LEP) – m. H <186 Ge. V @ 95%CL (EW fit Moriond 06) CNAM-28/05/08 L. Poggioli 21

Le Higgs : Comment le cher ü Ce qu’on sait – Modes de production prédits par MS – Modes de désintégration prédits par MS ü Stratégie – Combiner différents états initiaux & finaux – -> Observation couvrant toute la gamme en masse et redondante CNAM-28/05/08 L. Poggioli 22

Le Higgs : En ce moment ü La concurrence du Tevatron – Energie ÷ 7 par rapport au LHC – -> Compense en accumulant des données – Analyses plus complexes qu’au LHC ü En chiffres – Exclusion @ 160 Ge. V à l’été – Exclusion -> 200 Ge. V en 2010 ? – Course avec le LHC CNAM-28/05/08 L. Poggioli 23

Le Higgs au LHC (1) ü Très vite – Exclusion dès 2009 sur toute l’échelle – Découverte > 140 Ge. V fin 2009 début 2010 ü Etudes robustes Ex qq-> qq. H H-> τ+τCNAM-28/05/08 L. Poggioli 24

Le Higgs au LHC (2) ü Potentiel de découverte du LHC – Découverte assurée – Production • gg->H, qq. H (VBF), tt. H 30 fb-1 No K-factor – Désintégration • bb, WW, γγ, τ+τ- ü Aussi – Mesures de précision • Spin, Parité, rapports d’embranchements – -> Contraintes sur le Modèle CNAM-28/05/08 L. Poggioli 25

La Supersymétrie (SUSY) ü Symétrie Bosons <-> Fermions ü Atouts – Intègre • Gravitation & Grande Unification • Brisure de l’interaction élec/faible – Fournit un candidat Matière noire avec la bonne densité relique (neutralino χ10 Lightest Su. Sy Particle) – Les Super. Cordes (10 D -> SUSY à 4 D) – Stabilise le MS si SUSY O(Te. V) -> Riche phénoménologie au LHC • squarks, sleptons, gluinos, charginos, neutralinos CNAM-28/05/08 L. Poggioli 26

SUSY : Recherche ü Découverte – Topologie claire ü Sensibilité – Accessible fin 2009 • Jets de hadrons, • Leptons • ETmiss (LSP est invisible) 1 Lepton Squark, gluino Mreach ~1. 5 -2 Te. V – Evaluation précise • bruits de fond (physiques & instrumentaux) CNAM-28/05/08 L. Poggioli 27

SUSY : Mesures ü Observer OK mais – Discriminer les modèles – Mesurer les paramètres m. SUGRA SPS 1 a ü Chaîne typique SUSY Désintégration de squark LSP ü Mesure des “end-points” – Déduction des masses χ20, q. L, l. R, χ10 ~10 -15% après ajustement ü Répété pour d’autres cascades – Contrainte du modèle & ses paramètres CNAM-28/05/08 L. Poggioli 28

Dimensions suppléméntaires (1) ü Pourquoi ? – Gravitation (4 D) non testée pour d<0. 1 mm – Gravité diluée dans des extra dimensions compactifiées Rcompact (bulk) • Peut ramener échelle de Planck à O(Te. V) • Apparaît faible -> résout la hiérarchie ü Que voit-on – Spectre d’excitation des particules • Modes de Kaluza Klein • Spectre en 1/Rcompact CNAM-28/05/08 L. Poggioli 29

Dimensions supplémentaires (2) ü ADD (R>>Te. V-1) – Echelle effective • MPL 2 ~ MD 2+ R MD ~ Te. V pour R << mm G(k) 100 fb-1 – Production de Graviton • Jets (γ) + ETmiss • KK excitation = continuum – Découverte • MD ~ 5 -6 Te. V pour δ=4 -3 Fond calibré par Z j -> ll j ü O(Te. V-1) – En plus KK excitation des W/Z – Découverte O(4 -5 Te. V) CNAM-28/05/08 L. Poggioli W(1) 30

Dimensions supplémentaires (3) ü Randall-Sundrum – 1 seule Xdim (R~1/MPlanck) – Phénoménologie O(Te. V) – Graviton étroit ü Universelles (UED) – Toutes particules -> Bulk – Spectre KK peut simuler SUSY/ à l’étude ü NB : La théorie des cordes – Pont entre théorie quantique et Relativité générale <-> entre Gravitation et autres forces – Fonctionne seulement avec Ndimensions ~10 CNAM-28/05/08 L. Poggioli 31

Des trous noirs au LHC ? ü Pourquoi ? – Objets confinés Rs. Si paramètre d’impact <Rs -> Trous noirs produits !! ü Comment – Comportement ~corps noir – Désintégration • Isotrope • Démocratique (toutes les particules produites), i. e W/Z, Higgs, Top ü Au LHC CNAM-28/05/08 L. Poggioli 32

Pour conclure ü Il doit se passer quelque chose O(Te. V) au niveau constituants – Plusieurs scénarii possibles • SUSY est le plus attirant / prédictif ü Le LHC est la 1 re machine exploratoire qui va y accéder et étudier ces scénarii – Comprendre la brisure de symétrie EW – Origine de la masse – Fournir des mesures quantitatives ü Résultats dès fin 2009 ! CNAM-28/05/08 L. Poggioli 33