Futurs accélérateurs en physique des particules

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1 Futurs accélérateurs en physique des particules
Physique à haute énergie proton-proton: SLHC (7 + 7 TeV, L= 1035 cm2s-1), VLHC (12,5 + 12,5 TeV ?) électron-positon : ILC (0,5 – 1 TeV), CLIC (3-5 TeV) muon-muon : ?? (TeVs) Neutrinos Super-beams , Beta-beams, Neutrino factory B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs Congrès SFP Lille 2005

2 Physique à haute énergie: éléments
Higgs: masse atteignable, largeur Couplages: LHC : 1 mode détecté, parfois 2, s * BR à % e+ e- (m+ m-) : tous les modes, s * BR à +- 3% => caractérisation du Higgs: standard? SuSy? Spin : e+ e- (m+ m-) idéal. Encore plus si polarisation! Très difficile à LHC. mH (max) DMH DGH LHC < 1 % 10 % si mH > 300 e+ e s -mZ < 0.1% ~1.5 GeV m+ m mH = s % % B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

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Higgs:couplages ; précision de mesure: Dévitations possibles: B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

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Particules Supersymétriques Masse atteignable, à priori brut: LHC pour couplage fort (sq, gluino) : ~ 2 TeV ; LHC + : ~2,5 TeV; LHC 28TeV: 4 TeV pour couplage faible (sleptons) : ~ 400 GeV «  «  Coll e+ e- = énergie du faisceau pour toute particule. Mais possibles subtilités: Ex: « focus point region » LSP et NLSP ~dégénérés Et bien sûr, si processus atteint, un coll e+ e- donne des mesures de précision (spin, etc.) B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

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Hypothèse d’école: pas de Higgs vu à LHC! Retrouver l’unitarité sans le Higgs? Modèles fondamentaux : Technicolor, Extra-dim no-Higgs (C Grojean)…=> effets très visibles Modèles phénoménologiques: en général effets visibles, mais en se donnant du mal… Violation unitarité +  s + = m (h) 2  s Higgs standard G(W W) = GeV  (« LET ») B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

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Hypothèse d’école: pas de Higgs vu à LHC… LHC: LET: ~ 4 s ?? LHC+ (L=1035) : impossible LHC++(28 TeV) : > 20 s ATLAS pp->WW-> llnn LC 800 GeV: LET: ~ 5 s LC 3 TeV : > 20 s e+e- ->WW B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

7 LHC très haute luminosité
Luminosité du LHC : nominale ( 1034 cm-2s-1) vers 2010… Augmentation => 1035 vers 2014? Gain pour la physique: environ + 20% sur la gamme de masses atteignables. Intensité des faisceaux: source de protons intense Source intense (MW) pour d’autres clients : Neutrinos, Eurisol, usine à kaons? Quel schéma optimum (MW à 1 GeV, 50 GeV, 1 TeV?) = > Cern comités PAF et POFPA Focalisation forte aux points d’interaction Quadripôles Nb3Sn Détecteurs Probablement 12,5 ns au lieu de 25 ns : peu d’impact (temps de shaping déjà 30 ou 50 ns) Occupation et rayonnements x 10: Détecteurs de traces internes à remplacer entièrement. Calorimètres OK (?) ; électronique: en question… De toute façon, obsolescence de l’électronique… Références: LHC Luminosity and Energy Upgrade: A Feasibility Study, CERN LHC Project Report 626 (2002), F. Ruggiero, LHC Accelerator R&D and Upgrade Scenarios, CERN LHC Project Report 666 (2003) F. Gianotti, M.L. Mangano, and T. Virdee, Physics potential and experimental challenges of the LHC luminosity upgrade, CERN-TH (2002). B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

8 LHC: augmentation de l’énergie
Énergie du LHC : T . Limite à 9 T => 7,54 TeV Augmentation énergie: Gain pour la physique: domaine atteignable ~ énergie. aimants à très haut champ dans le tunnel LHC. Nb3Sn Supras Haut Tc: ex Bi 2212 Hybride…. Ex: Mc Intyre, CARE HHH conf 0005: dipole 24 T ! ( => TeV) VLHC : très grande dimension (240 km) [ FNAL] aimants classiques (2T): 30 TeV Upgrade à champ plus élevé… Détecteurs: peu de changements nécessaires (à part l’obsolescence…) B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

9 Collisionneurs linéaires à électrons
Prochaine machine après LHC: e+ e- ; complémentarité, caractérisation, exploration différente. Linéaire, à cause des pertes par rayonnement synchrotron ~E4/R: Ex5 => R x 625 ! ILC (International Linear Collider) Technologie « presque mûre »: cavités RF supra; 35 MV/m => 500 GeV – 1 TeV Physique: Confirmation et caractérisation des particules « aperçues à LHC »: Higgs: Standard? SUSY?... Mesures de haute précision: top, Higgs, couplages = > découvertes au-delà du MS. CLIC (Compact LInear Collider) Concept révolutionnaire (2 faisceaux), au stade R&D => 3 -5 TeV Caractérisation de toute physique vue à LHC Exploration directe au-delà du MS, plus large que LHC Exploration indirecte (mesures de précision): tous modèles possibles B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

10 International Linear Collider: historique
ICFA has been helping guide international cooperation on the Linear Collider since the mid 1990’s. Major early steps: 1995: First ILC Technical Review Committee (TRC) Report, with Greg Loew as Chair 1999: ICFA Statement on Linear Collider 2002: ICFA commissioned the second Report, 2002: ICFA Forms the International Linear Collider Steering Committee ( ILCSC) 2003: ILCSC establishes International Technology Recommendation Panel (ITRP) 2005: ICFA/ILCSC Establishes GDE B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

11 B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs
ILC: organisation ICFA Int Com Future Accel ILCSC Int LC Steering Com GDE Global Design Effort Asia Regional Team European American ACFA ALCSC FALC Funding Agencies LC References: B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

12 ILC GDE Plan and Schedule
CLIC Global Design Effort Project LHC Physics Baseline configuration Reference Design Technical Design ILC R&D Program Expression of Interest to Host International Mgmt From Barry Congrès SFP Lille 2005

13 B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs
CLIC / CTF3 R et D basé au Cern : Clic Test Facility 2 (=> 2002) , puis CTF3 B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

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CLIC Optimiste ! B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

15 B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs
Neutrinos et muons Prochaine générations d’étude des oscillations neutrinos: Faisceaux intenses. Production ordinaire de neutrinos : p + X => p => m + nm ; : spectre large Sauf si on sélectionne en angle (faisceau « off-axis »). Augmentation des intensités: augmentation du nombre de protons =>  super-beams  Production par désintégration d’ions radio-actifs: p + X => Beta beam Faisceaux assez collimés, purs. Production par désintégration de muons p + X => p => m + nm , m => e +ne+ nm Neutrino factory: faisceau très collimé Requiert un faisceau intense et refroidi de muons => Possibilité de collisionneur m+ m- B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

16 Oscillations de neutrinos
Découverte des oscillations=> neutrinos massifs, etc. Matrice de mélange des neutrinos Importance capitale: -en soi (3 familles? Hiérarchie de masses? Petitesse des masses des n?) -permet la violation de CP dans le secteur des n => solution à l’origine de la matière de l’univers? Etat des lieux (après 10 ans d’expériences): Expériences: réacteurs (Double-Chooz, etc.) ; faisceaux intenses sign(± Dm2): unknown CP phase d: unknown sin2q12 = 0.29 + 0.05 - 0.04 sin2q23 = 0.45 + 0.18 - 0.11 sin2q13 £ + 0.8 - 0.7 dm2 = ´ 10-5 eV2 Dm2 = ´ 10-3 eV2 + 0.5 - 0.6 Note: terme s13e-id B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

17 Faisceaux de neutrinos
Faisceaux classiques [K2K : KEK => Super-Kamiokande 22kt] -CNGS: Cern => Gran Sasso; cible Opera (1,65 kt), ( Icarus) ; démarrage 2006 -Minos: Fermilab => Soudan ; cible Minos (5,4 kt) ; démarrage 2005 Super-beams T2K: JPARC => Super-K (22 kt) démarrage 2009 NuMi/NoVa : FNAL off-axis / 30 kt … 2011 ?? Projets futurs: Hyper-K: JPARC => Détecteur 1 Mt eau à côté Super-K Cern- Fréjus: Super-beam, beta-beam = > Détecteur 1 Mt eau à Modane (MEMPHYS) …??? B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs

18 Minos, Icarus, Opera Double Chooz
EXCLUDED BY CHOOZ 1 5 9 06 12 18 24 Minos, Icarus, Opera Double Chooz T2K1, NovA SB b B T2K 2 Θ 13 degrees YEAR B Mansoulié (DAPNIA-SPP) Journée accélérateurs