1 La physique des particules au démarrage du LHC Environnement Particules & Interactions, Univers Cadre Description des 4 interactions, Modèle Standard.

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

2 2 Environnement Physique des particules Particules & interactions Notre Univers

3 CNAM-28/05/08L.Poggioli3 La recherche fondamentale ü Les étapes –Observation –Abstraction –Modélisation –Prédiction ü Exemples –La classification périodique des éléménts –La Gravitation –Mais aussi : La Relativité Générale

4 CNAM-28/05/08L.Poggioli4 La physique des particules ü But –Compréhension des forces fondamentales qui régissent lunivers 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 lhistoire de lUnivers –Echelles eV atome MeV noyau GeV proton TeV ??

5 CNAM-28/05/08L.Poggioli5 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 léchelle du noyau –Désintégration β, fusion dans les étoiles ü Forte (Rutherford 1911) –Courte portée, présente à léchelle du noyau –Cohésion du noyau (répulsion des protons)

6 CNAM-28/05/08L.Poggioli6 Les particules ü Leptons : force faible & électromagnétique –Électron, Muon (Hess 1937), Tau (Perl 1977) –Neutrinos associés (Pauli 1930, Steinberger 1962) ν e 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

7 CNAM-28/05/08L.Poggioli7 Particules : Résumé 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 Dautres conditions/explications sont investiguées Matière Fermions (Leptons & Quarks) Spin 1/2 Vecteurs de force Bosons Spin 0, 1, 2 Spin : degré de liberté interne 3 familles

8 CNAM-28/05/08L.Poggioli8 Notre Univers : le Big-Bang 10 -12 s / 1000 GeV Léchelle du LHC 10 -44 s / 10 19 GeV Supercordes ? 4 interactions unifiées 10 -37 s / 10 15 GeV Soupe de particules éléméntaires Interaction unique forte-faible-EM 300000 ans Formation des atomes LUnivers devient transparent Rayonnement fossile (CMB)

9 CNAM-28/05/08L.Poggioli9 Notre Univers (2) ü Rayonnement fossile (CMB) –Rayonnement de corps noir à 3K (COBE) -> Expansion de lUnivers –Anisotropie du rayonnement (WMAP) -> Composition de lUnivers -> Graines pour la formation des structures ü Etude des Galaxies –Pas de dispersion des amas –Vitesse de rotation des galaxies -> Matière cachée

10 CNAM-28/05/08L.Poggioli10 Notre Univers (3) ü Etude des SuperNovae -> Expansion de lUnivers accéléré (SNLS 1999) ü Composition de lUnivers –Matière ordinaire 4% –Matière Noire 23% –Energie noire 72% Non-baryonic DM (23%) Stars (0.5%) Baryonic DM (4%) Dark Energy (72%) ü Apports du LHC –Sur lUnification des interactions –Sur la matière noire –Sur lEnergie noire via la Gravitation ?

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

12 CNAM-28/05/08L.Poggioli12 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 dun groupe de jauge Ex: Invariance des équations de Maxwell -> Transformation de Lorentz –Invariance locale crée la dynamique de linteraction ü 1er Succès : l Electrodynamique Quantique (Tomonaga Schwinger Feynman 1948)

13 CNAM-28/05/08L.Poggioli13 Les théories de jauge (2) ü Ex : lElectrodynamique quantique –Groupe de symétrie U(1) (rotations) –Base : vertex courant/champ avec force 1/2 ( =1/137) ü Calcul de diffusion e+e- –Chaque contribution sajoute : O( 2 )+O( 3 )+… converge -> La théorie est renormalisable Diagramme de Feynman

14 CNAM-28/05/08L.Poggioli14 Le Modèle Standard : Histoire ü Tentative dunification de linteraction 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)xU(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 lexistence du boson de Higgs

15 CNAM-28/05/08L.Poggioli15 Le mécanisme de Higgs Champ de Higgs Particule Interaction Particule Champ de Higgs -> Masse Propagation du Champ de Higgs Le Higgs acquiert une masse Cf. Phonons en Physique du solide ü En 2 mots –Le Higgs remplit le vide et le rend plus stable –Le couplage du Higgs qux particules génère leur masse

16 CNAM-28/05/08L.Poggioli16 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

17 CNAM-28/05/08L.Poggioli17 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 Ninclut pas la Gravité ü Pas dunification des 3 interactions de jauge Mais plus quun modèle : une Théorie !!

18 CNAM-28/05/08L.Poggioli18 Le problème de Hiérarchie ü Le problème –Comment stabiliser le MS du O(TeV) jusquà léchelle de Gravitation,i.e. M Planck =10 19 GeV ? –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 M H -> or M H < 1 TeV dans MS

19 CNAM-28/05/08L.Poggioli19 Les alternatives ü Alt 1: Supersymétrie –Chaque particule -> partenaire SUSY Résout le problème de hiérarchie si O(TeV) ü Alt 2: Dimensions supplémentaires –Gravité « forte » mais diluée dans des extra dimensions -> M Planck effective O(TeV) ü Alt 3 Pas de Higgs : Technicouleur –Nouvelle interaction forte O(TeV) Plus de scalaire -> plus de problème de hiérarchie Brisure de symétrie dynamique Peu favorisée par mesures à LEP

20 20 Apport du LHC Higgs Supersymétrie Extra Dimensions Trous Noirs

21 CNAM-28/05/08L.Poggioli21 Higgs : Où le chercher ü Théorie -> m H < TeV –Arguments de trivialité & stabilité –Régularise lamplitude W L W L ->W L W L O(TeV) ü Expérimental –m H >114.4 GeV (LEP) –m H <186 GeV @ 95%CL (EW fit Moriond06) Λ : Echelle de validité du MS

22 CNAM-28/05/08L.Poggioli22 Le Higgs : Comment le chercher ü Ce quon 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

23 CNAM-28/05/08L.Poggioli23 Le Higgs : En ce moment ü La concurrence du Tevatron –Energie ÷ 7 par rapport au LHC –-> Compense en accumulant des données –Analyses plus complexes quau LHC ü En chiffres –Exclusion @ 160 GeV à lété –Exclusion -> 200 GeV en 2010 ? –Course avec le LHC

24 CNAM-28/05/08L.Poggioli24 Le Higgs au LHC (1) ü Très vite –Exclusion dès 2009 sur toute léchelle –Découverte > 140 GeV fin 2009 début 2010 ü Etudes robustes Ex qq-> qqH H-> τ + τ -

25 CNAM-28/05/08L.Poggioli25 ü Potentiel de découverte du LHC –Découverte assurée –Production gg->H, qqH (VBF),ttH –Désintégration bb, WW, γγ, τ + τ - ü Aussi –Mesures de précision Spin, Parité, rapports dembranchements –-> Contraintes sur le Modèle Le Higgs au LHC (2) 30fb -1 No K-factor

26 CNAM-28/05/08L.Poggioli26 La Supersymétrie (SUSY) ü Symétrie Bosons Fermions ü Atouts –Intègre Gravitation & Grande Unification Brisure de linteraction élec/faible –Fournit un candidat Matière noire avec la bonne densité relique (neutralino χ 1 0 Lightest SuSy Particle) –Les SuperCordes (10D -> SUSY à 4D) –Stabilise le MS si SUSY O(TeV) -> Riche phénoménologie au LHC squarks, sleptons, gluinos, charginos, neutralinos

27 CNAM-28/05/08L.Poggioli27 ü Découverte –Topologie claire Jets de hadrons, Leptons E T miss (LSP est invisible) –Evaluation précise bruits de fond (physiques & instrumentaux) SUSY : Recherche 1 Lepton ü Sensibilité –Accessible fin 2009 Squark, gluino M reach ~1.5-2 TeV

28 CNAM-28/05/08L.Poggioli28 ü Observer OK mais –Discriminer les modèles –Mesurer les paramètres ü Chaîne typique SUSY ü Mesure des end-points –Déduction des masses χ 2 0, q L,l R,χ 1 0 ~10-15% après ajustement ü Répété pour dautres cascades –Contrainte du modèle & ses paramètres SUSY : Mesures mSUGRA SPS1a LSP Désintégration de squark

29 CNAM-28/05/08L.Poggioli29 Dimensions suppléméntaires (1) ü Pourquoi ? –Gravitation (4D) non testée pour d<0.1mm –Gravité diluée dans des extra dimensions compactifiées R compact (bulk) Peut ramener échelle de Planck à O(TeV) Apparaît faible -> résout la hiérarchie ü Que voit-on –Spectre dexcitation des particules Modes de Kaluza Klein Spectre en 1/R compact

30 CNAM-28/05/08L.Poggioli30 ü ADD (R>>TeV -1 ) –Echelle effective M PL 2 ~ M D 2+ R M D ~ TeV pour R << mm –Production de Graviton Jets (γ) + E T miss KK excitation = continuum –Découverte M D ~ 5-6 TeV pour δ=4-3 ü O(TeV -1 ) –En plus KK excitation des W/Z –Découverte O(4-5TeV) Dimensions supplémentaires (2) W (1) 100 fb -1 G (k) Fond calibré par Z j -> ll j

31 CNAM-28/05/08L.Poggioli31 ü Randall-Sundrum –1 seule Xdim (R~1/M Planck ) –Phénoménologie O(TeV) –Graviton étroit ü Universelles (UED) –Toutes particules -> Bulk –Spectre KK peut simuler SUSY/ à létude ü NB : La théorie des cordes –Pont entre théorie quantique et Relativité générale entre Gravitation et autres forces –Fonctionne seulement avec N dimensions ~10 Dimensions supplémentaires (3)

32 CNAM-28/05/08L.Poggioli32 ü Pourquoi ? –Objets confinés R s. Si paramètre dimpact Trous noirs produits !! ü Comment –Comportement ~corps noir –Désintégration Isotrope Démocratique (toutes les particules produites), i.e W/Z, Higgs, Top ü Au LHC Des trous noirs au LHC ?

33 CNAM-28/05/08L.Poggioli33 Pour conclure ü Il doit se passer quelque chose O(TeV) 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 !