50 ans du LAL, 8 juin 2006 1 Rapport de la prospective des groupes physique des saveurs et physique de précision Préambule Anti-hydrogène (tests de CPT,

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1 50 ans du LAL, 8 juin 2006 1 Rapport de la prospective des groupes physique des saveurs et physique de précision Préambule Anti-hydrogène (tests de CPT, anti-gravité) Physique des saveurs : violation de CP Biréfringence du vide (tests de QED, violation de CP par l’interaction forte) F. Machefert, P. Roudeau, M.-H. Schune, A. Stocchi, I. Videau S. Dagoret-Campagne, J. Haissinski, M. Jacquet, M. Urban, A. Variola, F. Zomer Marie-Hélène Schune La liste des sujets abordés par les 2 groupes de prospective n’est pas exhaustive

2 50 ans du LAL, 8 juin 2006 2 Préambule Les symétries sur lesquelles reposent les théories de physique des particules : CPT Conjugaison de charge : particule ↔ anti-particule ↔ e-e+ Parité : Change en : ~ réflexion dans un miroir ↔ P x y z x y z ↔ P Renversement du temps : passer le film à l’envers… t T ↔ - t

3 50 ans du LAL, 8 juin 2006 3 1957 : découverte de la violation maximale de P dans les interactions faibles (C.S. Wu et al : désintégration  du Co 60 ) pas de violation de P 1990 : découverte de la violation de T dans le secteur des K (CPLear) : ~ 7 10 -3 État des lieux

4 50 ans du LAL, 8 juin 2006 4 Tests de CPT avec l’anti-hydrogène Test de CPT mais aussi de la force de gravitation pour l’anti-matière Violation de CPT : masse particule  masse anti-particule durée de vie particule  durée de vie anti-particule niveaux atomiques de l’anti-hydrogène  de l’hydrogène ~ 10 8 e + ~10 4 p Production et décélération d’anti-protons et de positrons (MeV) Mélange dans un piège et refroidissement Production d’anti-hydrogène Détection des produits d’annihilation : Actuellement : Futur (2010 ?) : Piégeage des atomes d’anti-hydrogène Refroidissement Spectroscopie laser des atomes ATHENA

5 50 ans du LAL, 8 juin 2006 5 Tests du principe d’équivalence (l’accélération gravitationnelle d’un objet ne dépend pas de sa composition) Hydrogène et anti-hydrogène tombent-ils dans la même direction ? De la même manière ?? Peu (pas) de modèles Tests à faire dans différentes configurations (et donc canaux) Mais aussi : pommeanti-pomme Conservation de CPTCPT Terre anti-Terre Terre anti-pomme

6 50 ans du LAL, 8 juin 2006 6 « Juste après » le Big-Bang, on pense que matière et anti-matière sont présentes en quantités égales Quand la température baisse matière et anti-matière s’annihilent Dans notre environnement il n’y a pratiquement que de la matière C, P, T et le Big-Bang Violation du nombre baryonique B Violation de C et CP Non équilibre thermique Sakharov (1967) : disparition possible de l’anti-matière ? BaryonB=+1 Anti-baryonB=-1 MésonB=0

7 50 ans du LAL, 8 juin 2006 7 1964 : découverte de la violation de CP avec un signal de K L   (intensité de ~ 2 10 -3 ) CP ? signal Puis NA31, NA48 (secteur des K) et BaBar (secteur des B) À venir : LHCb …. et puis une superB ? Le taux de violation de CP dans le Modèle Standard est 10 10 fois trop faible pour expliquer l’asymétrie matière/anti-matière dans l’univers … N(K -  + )  N(K +  - ) signal

8 50 ans du LAL, 8 juin 2006 8 Violation de CP dans le Modèle Standard Les états propres de masse ne sont pas les états propres de l’interaction faible  existence d’une matrice de mélange, la matrice de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa États propres de l’interaction faible États propres de masse Matrice CKM Amplitude de transition entre quark i et j : V ij bu W V ub W V* ub bu Matrices de mélange différentes pour les quarks et les anti-quarks  violation de CP

9 50 ans du LAL, 8 juin 2006 9 La matrice CKM, le triangle d’unitarité 3 familles + unitarité de la matrice CKM  4 paramètres (dont une phase, responsable de la violation de CP)  triangle d’unitarité Re Im 10     Arg(V td )= -  Arg(V ub )= -  V ud V us V ub V cd V cs V cb V td V ts V tb 1 - 2 A 3 (  - i  ) = - 1 - 2 /2 A 2 A 3 ( 1 -  - i  ) - A 2 1 V CKM = + O( 4 ) But : test de la cohérence du MS avec différents phénomènes Violation de CP dans les K (1964) et dans les B (2001) Comparaisons des mesures des côtés et des angles   Le MS est une bonne description des phénomènes observés et en particulier de la violation de CP dans les secteurs du K et du B. … mais avec quelle précision ?

10 50 ans du LAL, 8 juin 2006 10 Au-delà du MS, de la Nouvelle Physique ? On utilise la physique des saveurs, en particulier les processus rares dans le MS, comme sonde de la présence de Nouvelle Physique On est sensible à la présence de particules virtuelles lourdes dans les diagrammes en boucles ou en boites. Oscillations du B W W t t Modèle Standard BB Exemple de Nouvelle Physique BB + ? r limite supérieure de la contribution relative de NP  bq couplage de la NP  eff échelle de la NP (masse des nouvelles particules) Mesure de précision (r petit)  test du couplage (  bq ) ou de l’échelle (  eff )

11 50 ans du LAL, 8 juin 2006 11 r = 20%   eff ~ 180 GeV Complémentarité LHC (ATLAS/CMS)/mesures de précision (exemple) Si les couplages ne sont pas encore plus faibles… Si  eff ~250GeV   mesurable  bq ~ V tq  eff ~ 0.08/  r TeV  eff très élevée > 10-100 TeV difficile d’apprendre quoique ce soit à partir des désintégrations rares et très grande difficulté à trouver des signes de NP au LHC….  eff ~ 1TeV + mélange des saveurs protégé par des symétries supplémentaires (par ex MFV) beaucoup à apprendre de la physique des saveurs maintenant et dans le futur lorsque la NP sera découverte. Cette solution est celle qui coïncide avec la « naturalité » pour la masse du Higgs r = 10%   eff ~ 250 GeV r = 1%   eff ~ 800 GeV Deux types de solutions possibles :

12 50 ans du LAL, 8 juin 2006 12 Où en est-on aujourd’hui ? Ajustement plus général : Processus à l’arbre (sans NP) Détermination des paramètres du MS NP dans le mélange secteur du B d Deux possibilités : La NP est faible avec une phase arbitraire La NP est plus importante mais avec la même phase que le MS (MFV) Pas de contraintes sur la phase de NP A MS e 2i   A MS e 2i  + A NP e 2i  MS NP MS secteur du B s MS

13 50 ans du LAL, 8 juin 2006 13 Aujourd’hui A NP /A SM <20% Besoin : améliorer la précision Depuis peu :  m s mesuré Besoin : mesure de  Bs) transitions  F=1 LHCb - SuperB Théorie (Lattice QCD) LHCb - SuperB Indication de MFV ? Besoin : désintégrations rares des B/K (B s  and B  K*ℓℓ) Théorie (Lattice QCD) b  db  s L‘incertitude sur A NP /A SM dominée par la connaissance des paramètres hadroniques.

14 50 ans du LAL, 8 juin 2006 14 Collisionneur LHC Acceptance : ~ 10 to 300 mrad Production très à l’avant  étiquetage de la saveur du B  p LHCb (2007-) p p B s  J/ψ Φ Mesure de –arg(V ts ) ~ -0.04 dans le MS  sensible à la NP : quelques ° après 1 an B s   ~17 evts par an pour le BR du MS bruit de fond difficile à estimer : pas d’evts sélectionnés sur le MC S/  B >2 MFV (95%)MS (95%) <7.42[1.91,5.91] BR(B s  μ + μ - )x10 9 Mesure de  et  :  (  ) ~5-6° et  (  ) ~15° après 1 an

15 50 ans du LAL, 8 juin 2006 15 Une super usine à B ? Projet en cours en Europe (inspiré par l’INFN) en collaboration avec SLAC pour proposer une « super usine à B » en synergie technique avec l’ILC (dumping rings/ focalisation finale) Le but : 50 ab -1 d’ici 2015 Amélioration d’un facteur 3 à 5 par rapport à ce qui serait disponible en 2010 (usines à B + LHCb) sur les tests de NP Si les cotés et les angles du triangle sont mesurés avec une précision de l’ordre du % Si les calculs des paramètres hadroniques atteignent également une précision ~ % (QCD sur réseau) r = 1%  étude de la structure de la NP jusque vers  eff ~ 800 GeV Projet japonais bien avancé : 40 ab -1 d’ici 2020 Actuellement (BaBar + BELLE) : 1 ab -1

16 50 ans du LAL, 8 juin 2006 16 La biréfringence du vide Propagation d’un laser dans le vide où règne un champ magnétique intense Solution eq. Maxwell L Polarisation linéaire Polarisation elliptique Les composantes du champ électrique E  et  à B sont déphasées de  : [B c =4.4 10 9 T]  réel  virtuel  réel  virtuel OU  réel  réel  réel  réel

17 50 ans du LAL, 8 juin 2006 17 Connexion avec l’interaction  ? Dans le cadre du Modèle Standard : QED graphe de Feynman pour :  réel  virtuel   réel  virtuel diffusion cohérente  calcul de  n vide  Effets identiques pour  réel  réel   réel  réel  ‘biréfringence du vide observable dans l’interaction laser-laser Au delà du Modèle Standard : axions [violation de CP dans QCD] Boson pseudo-scalaire candidat pour la matière noire Contraintes accélérateurs/astrophysiques : m a  0.02eV & couplage g a   10 -10 GeV -1 Production virtuelle ellipticité (même effet que la biréfringence du vide) Production réelle dichroïsme

18 50 ans du LAL, 8 juin 2006 18 Situation actuelle et futur Expérience PVLAS : pas de résultat sur l’ellipticité   n vide … mesure d’un dichroïsme  axion ? signal persistant malgré 4 années d’études systématiques incompatible avec les mesures directes d’axions provenant du soleil Futures expériences : CERN, DESY : toujours avec des champs magnétiques Mesure de  n vide avec 2 lasers pulsés et 2 cavités Fabry-Perot Mesure: Ellipticité Dichroïsme Laser de mesure (moins puissant) 5mW,  t=200fs Laser puissant qui ‘polarise le vide’ 20W,  t=200fs f rep =50MHz L= 3m Valeurs : un exemple Des expériences similaires sont en cours pour confirmer/infirmer l’existence de cet axion

19 50 ans du LAL, 8 juin 2006 19 Avantages Pas de champ magnétique ! Le signal apparaît à la fréquence des pulses 100MHz (<1Hz avec un champ B)  réduction des bruits I c = intensité critique = 4.6 10 29 W/cm 2  faisceau laser de forte puissance fortement focalisé dans la cavité  problèmes dans les revêtements des miroirs, effets non linéaires … Mesure de  n vide avec 2 lasers et 2 cavités Finesse cavité Durée mesure  n vide 10 4 2.6 ans 10 5 2.5h =2MW P/pulse=200GW Inconvénients : la puissance du laser qui polarise le vide !

20 50 ans du LAL, 8 juin 2006 20 Conclusion La physique des saveurs est rentrée dans l’ère de la précision Le Modèle Standard dans le secteur fermionique est toujours debout : Tests quantitatifs à <20% dans le secteur du B d, et on commence à tester le secteur du B s  scénario favorisé pour de la Nouvelle Physique : un couplage ~V CKM, pas de nouvelle phase violant CP Si un signal de Nouvelle Physique est observé au LHC (ATLAS/CMS) : LHCb et les super usines à B pourront étudier la structure de cette NP jusqu’à l’échelle du TeV Si les calculs de QCD sur réseaux atteignent une précision de l‘ordre du % Existence au LAL d’un savoir-faire avec les cavités Fabry Pérot (études pour une «source d’e+ polarisés pour l’ILC», VIRGO …) Participation aux futures expériences avec des atomes d’anti-hydrogène ? (tests de CPT, du principe d’équivalence …), refroidissement, spectroscopie à plusieurs photons Mesure de la biréfringence du vide avec une technique laser-laser Confrontation avec la mesure de PVLAS, limite ou découverte d’un axion ? …