9 septembre 2011
Moisson de résultats au LHC pour les conférences d’été

Grâce au très bon fonctionnement de son accélérateur, les expériences Atlas et CMS du LHC ont pu observer plus de 70 millions de millions de collisions en 3 mois, soit l’objectif fixé par le Cern pour l’ensemble de l’année 2011. Ces excellentes performances ont permis aux expériences de récolter une moisson de résultats présentés cet été lors des conférences internationales.

L’étau se resserre autour du boson de Higgs

Le boson de Higgs est la seule particule du modèle standard qui n’a pas encore été observée ; il a un rôle crucial puisqu’il expliquerait l’origine de la masse des particules : le découvrir ou infirmer son existence fait partie des principaux objectifs du programme scientifique du LHC. Les analyses combinées des expériences Atlas et CMS ont permis d’exclure avec 95 % de niveau de confiance l’existence du boson de Higgs dans la majeure partie de la gamme des masses comprises entre 145 et 466 GeV (gigaélectronvolts). Au total, pour la conférence de Bombay, chaque expérience a dû analyser environ deux inverse femtobarns de données, c’est-à-dire 140x1012 collisions et ceci dans un temps très court. Ces résultats reviennent à exclure une majeure partie du domaine de masse où le boson de Higgs pourrait exister en théorie mais laisse ouvert, pour les recherches à venir au LHC, le domaine de basse masse – entre 115 GeV, limite donnée par le LEP, et 145 GeV – déjà favorisé par des contraintes expérimentales indirectes.

Lors de la première grande conférence de l’année 2011 sur la physique des particules, HEP2011 à Grenoble en juillet, les expériences Atlas et CMS avaient indépendamment montré des fluctuations du nombre d’événements observés dans certaines régions, ce qui aurait pu être un premier signe du boson de Higgs. Entre les deux conférences, les équipes ont pu analyser le double du nombre de collisions en incluant celles acquises jusqu’en juillet et elles ont montré fin août à Bombay que l’importance de ces fluctuations a légèrement diminué. Ces nouvelles données sont loin donc d’être concluantes, et les scientifiques vont devoir analyser encore beaucoup de données pour comprendre leurs observations. Pour un boson de Higgs léger, s’il existe, de nombreux modèles comme la "supersymétrie" prédisent à l’échelle du teraélectronvolt (TeV) une nouvelle physique (et donc l’apparition de nouvelles particules). Les nombreux résultats présentés à ces conférences et l’absence de nouveaux signaux, contraignent déjà très fortement ces modèles même si l’exploration de la physique à l’échelle du TeV au LHC ne fait que commencer.

Les équipes françaises Atlas et CMS (à Annecy, Clermont-Ferrand, Grenoble, Lyon, Marseille,Orsay, Palaiseau, Paris, Saclay et Strasbourg) du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu sont très fortement engagées dans le programme de physique du LHC et certaines se sont retrouvées en première ligne dans la recherche du boson Higgs. D’autres analyses, sur des études de précision du Modèle standard ou sur la recherche de nouvelle physique restent aussi des objectifs de premier plan, susceptibles de fournir des résultats très intéressants, au fur et à mesure que le stock d’évènements enregistrés s’accroît (voir encadré pour en savoir plus).

Une précision inégalée dans la mesure de l’asymétrie matière-antimatière

À Grenoble puis à Bombay, les nouveaux résultats présentés par l’expérience LHCb ont montré que les désintégrations des particules appelées "mésons beaux (B)" mesurées jusqu’à présent par la collaboration concordent parfaitement avec les prédictions du Modèle standard de la physique des particules et ne confirment pas les déviations observées cette année par les expériences CDF et D0 au Fermilab à Chicago. LHCb étudie de près ces désintégrations afin d’étudier l’asymétrie entre la matière et l’antimatière. Les quarks lourds sont très utiles pour étudier ce phénomène, car leurs modes de désintégration sont nombreux, et toutes ces désintégrations sont décrites par le Modèle standard. L’asymétrie matière-antimatière est prédite par le Modèle standard, mais à un niveau insuffisant pour pouvoir expliquer l’asymétrie observée dans l’Univers. Des écarts par rapport aux prédictions pourraient être le signe d’une nouvelle physique. Seuls des mesures de grande précision et un très grand nombre de données permettront de mesurer ces écarts avec certitude.

Ce niveau de précision inégalée a pu être atteint, grâce à l’excellente performance du collisionneur et la collaboration efficace des scientifiques de LHCb avec les ingénieurs du LHC pour optimiser la quantité et la qualité des données recueillies. Le détecteur LHCb contient des éléments très sensibles situés à proximité du faisceau qui peuvent mesurer le point de collision proton-proton et le point de désintégration des mésons beaux. Concilier la nécessité de protéger ces instruments d’éventuels dommages causés par le faisceau, tout en portant l’intensité du faisceau à son maximum, est le défi que les ingénieurs et les scientifiques ont réussi à relever.

En France, les équipes LHCb des laboratoires du CNRS/IN2P3 (à Clermont-Ferrand, Marseille, Orsay et Paris) s’investissent activement et assument des responsabilités dans l’analyse des données. Elles jouent un rôle de premier plan dans plusieurs domaines prioritaires du programme de physique de LHCb, dont fait partie l’étude des mésons beaux pour expliquer l’asymétrie matière (voir encadré pour en savoir plus).

La grille

La Grille de calcul mondiale pour le LHC, qui relie des centres de calcul du monde entier, s’est montrée à la hauteur de la tâche durant cette période intense, en réalisant régulièrement jusqu’à 200 000 opérations d’analyses de physique simultanément. La France y a participé activement avec notamment l’un des plus grands centres de calcul du monde, le CC-IN2P3 du CNRS à Lyon, laboratoire par ailleurs membre de chacune des expériences du LHC, et huit autres sites régionaux.

La BD du LHC

À voir également : le boson de Higgs et le traitement des données au LHC expliqués par la dessinatrice Lison Bernet, sur lhc-france.

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