Quantum Diaries

La 37^ème Conférence internationale de physique des hautes énergies vient de se terminer à Valence, en Espagne. Cette année, pas de grande surprise : aucun nouveau boson, aucun signe de nouvelles particules ou phénomènes révélant la nature de la matière sombre ou l’existence de nouvelles théories comme la supersymétrie. Mais comme toujours, quelques petites anomalies ont capté l’attention.

Les chercheur-e-s s’intéressent particulièrement à toute déviation par rapport aux prédictions théoriques car ces petites anomalies pourraient révéler l’existence d’une “nouvelle physique”. Cela permettrait de découvrir des indices d’une théorie plus inclusive puisque tout le monde réalise que le modèle théorique actuel, le Modèle standard, a ses limites et doit être remplacé par une théorie plus complète.

Mais il faut se méfier. Tous les physiciens et physiciennes le savent bien : de petits écarts apparaissent souvent et disparaissent tout aussi vite. Toutes les mesures faites en physique suivent des lois statistiques. Des déviations d’un écart-type entre les valeurs mesurées expérimentalement et celles prédites par la théorie sont observées dans trois mesures sur dix. De plus grands écarts sont moins communs, mais toujours possibles. Une déviation de deux écarts-types se produit dans 5% des mesures, et trois écarts-types, 1%. Il y a aussi des erreurs systématiques reliées aux instruments de mesure. Ces erreurs ne sont pas de nature statistiques mais peuvent être réduites avec une connaissance accrue du détecteur. L’erreur expérimentale associée à chaque résultat correspond à un écart-type. Voici à titre d’exemple deux petites anomalies rapportées durant la conférence et qui ont attiré l’attention cette année.

La Collaboration ATLAS a montré un résultat préliminaire sur la production d’une paire de bosons W. La mesure de ce taux permet d’effectuer des vérifications détaillées du Modèle puisque les théoricien–ne-s peuvent prévoir combien de fois des paires de bosons W sont produites quand les protons entrent en collision dans Grand collisionneur de hadrons (LHC). Le taux de production dépend de l’énergie dégagée pendant ces collisions. Jusqu’ici, on peut faire deux mesures puisque le LHC a fonctionné à deux énergies différentes, soit 7 et 8 TeV.

Les expériences CMS et ATLAS avaient déjà publié leurs résultats basés sur les données recueillis à 7 TeV. Les taux mesurés excédaient légèrement les prédictions théoriques mais restaient tout de même à l’intérieur des marges d’erreur expérimentale avec des déviations de 1.0 et 1.4 écart-type, respectivement. CMS avait aussi publié des résultats basés sur environ 20% de toutes les données accumulées à 8 TeV. Le taux mesuré excédait légèrement la prédiction théorique par 1.7 écart-type. Le dernier résultat d’ATLAS ajoute un élément supplémentaire au tableau. Il est basé sur l’ensemble des données recueillies à 8 TeV. ATLAS obtient une déviation un peu plus forte pour le taux de production de deux bosons W à 8 TeV avec une déviation de 2.1 écarts-types par rapport à la prédiction théorique.

Les quatre mesures expérimentales du taux de production de paires de bosons W (points noirs) avec l’incertitude expérimentale (barre horizontale) aussi bien que la prédiction théorique actuelle (triangle bleu) avec sa propre incertitude (bande bleue). On peut voir que toutes les mesures sont plus élevées que les prédictions actuelles, suggérant que le calcul théorique actuel n’inclut pas tout.

Chacune de ces quatre mesures est en bon accord avec la valeur théorique mais le fait qu’elles excèdent toutes cette prédiction commence à attirer l’attention. Très probablement, cela signifie que les théoriciens n’ont pas encore pris en compte toutes les petites corrections exigées par le Modèle standard pour déterminer ce taux suffisamment précisément. C’est un peu comme si on oubliait de noter quelques petites dépenses dans son budget, menant à un déficit non expliqué à la fin du mois. Il pourrait aussi y avoir des facteurs communs dans les incertitudes expérimentales, qui réduiraient l’importance globale de cette anomalie. Mais si les prédictions théoriques demeurent ce qu’elles sont, même en rajoutant toutes les petites corrections possibles, cela indiquerait l’existence de nouveaux phénomènes, ce qui serait passionnant. Il faudra alors surveiller l’évolution de cette mesure après la remise en marche du LHC en 2015 à plus haute énergie, soit 13 TeV.

La Collaboration CMS a présenté elle aussi un résultat intrigant. Un groupe de chercheur-e-s a trouvé quelques événements compatibles avec l’observation d’une désintégration d’un boson de Higgs en un tau et un muon. De telles désintégrations sont interdites dans le Modèle standard puisqu’elles enfreignent la conservation de la « saveur » leptonique. Il y a trois saveurs ou types de leptons chargés (une catégorie de particules fondamentales) : l’électron, le muon et le tau. Chacun vient avec son propre type de neutrinos. Dans toutes les observations faites jusqu’à présent, les leptons sont toujours produits soit avec leur propre neutrino, soit avec leur antiparticule. La désintégration d’un boson de Higgs en leptons devrait donc toujours produire un lepton chargé et son antiparticule, mais jamais deux leptons chargés de saveur différente. Il est tout simplement interdit d’enfreindre cette règle à l’intérieur du cadre du Modèle standard.

Il faudra vérifier tout cela avec plus de données, ce qui sera possible après la reprise du LHC l’année prochaine. Mais d’autres modèles de « nouvelle physique » permettent la violation de la saveur leptonique. Il s’agit de modèles comme ceux comprenant plusieurs doublets de Higgs ou des bosons de Higgs composites ou encore les modèles impliquant des dimensions supplémentaires comme ceux de Randall-Sundrum. Alors si avec plus de données ATLAS et CMS confirment que cette tendance correspond à un effet réel, ce sera une véritable révolution.

Les résultats obtenus par la Collaboration CMS pour six types de désintégrations différentes. Tous donnent une valeur non-nulle, contrairement aux prédictions du Modèle standard, pour le taux de désintégration de bosons de Higgs en paires de tau et muon.

Pauline Gagnon

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C’est en chantant joyeux anniversaire en faussant un peu mais dans la bonne humeur générale que plusieurs centaines de physicien-ne-s ont terminé la journée du 4 juillet lors de la 37^ème Conférence internationale de physique des hautes énergies qui se tenait à Valence, en Espagne du 2 au 9 juillet. Il y a deux ans, les expériences ATLAS et CMS avaient annoncé la découverte du boson de Higgs à la veille de la même conférence tenue alors à Melbourne, en Australie. Beaucoup échangeaient des souvenirs sur où ils et elles étaient lors de cette annonce historique.

A peine deux années plus tard, les deux expériences ont déjà acquis une quantité impressionnante de connaissances sur le boson de Higgs. Les deux groupes ont maintenant mesuré avec haute précision sa masse, comment il est produit et comment il se désintègre. ATLAS a présenté son résultat récemment publié pour la masse combinée du boson Higgs, soit 125.36 ± 0.41 GeV en parfait accord avec la valeur présentée pour la première fois à cette conférence par CMS de 125.03 ± 0.30 GeV.

En présentant son résultat final sur les désintégrations de bosons de Higgs en deux photons, la Collaboration CMS a maintenant complété l’analyse de toutes les données récoltées jusqu’à maintenant. La valeur combinée pour la force du signal, une quantité mesurant le nombre de bosons de Higgs observés comparé au nombre prévu par la théorie, est de 1.00 ± 0.13. ATLAS obtient 1.3 ± 0.18. Ces deux mesures indiquent qu’avec la précision expérimentale actuelle, ce boson est compatible avec celui prévu par le Modèle standard.

On connaît aussi son spin et sa parité, deux caractéristiques propres aux particules fondamentales et équivalant à leurs empreintes digitales. Leur détermination révèle l’identité d’une particule et c’est ainsi que nous savons que le boson découvert il y a deux ans est bel et bien un boson de Higgs.

Reste encore à savoir s’il s’agit de l’unique boson de Higgs prévu par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs en 1964 dans le cadre de la théorie actuelle, le Modèle standard. Car ce boson pourrait aussi être le plus léger des cinq bosons de Higgs prévus par une des autres théories plus inclusives comme la supersymétrie proposées pour combler plusieurs lacunes du Modèle standard. Une telle découverte ouvrirait la porte vers ce qu’on appelle communément « la nouvelle physique ».

Plusieurs mesures d’ATLAS sur la force du signal, i.e. une quantité mesurant le nombre de bosons de Higgs produits dans différents canaux et se désintégrant en différentes particules, comparé au nombre prévu par la théorie. Le résultat devrait donc être égal à 1.0 si la théorie est juste. Le symbole “+” en noir indique la valeur théorique prévue tandis que les divers cercles délimitent la zone où on s’attend à trouver la valeur réelle avec un niveau de confiance de 68 % ou 95 %.

Presque toutes les données rassemblées jusqu’à la fin de 2012 – avant l’arrêt technique du Grand collisionneur de hadrons (LHC) pour maintenance et consolidation – ont maintenant été analysées. Et tout ce qui a été mesuré jusqu’ici est en accord avec les prédictions du Modèle standard en tenant compte des marges d’erreur. Non seulement les expériences ont-elles amélioré la précision dans la plupart des mesures, mais elles examinent sans cesse de nouveaux aspects. Par exemple, les expériences CMS et ATLAS ont aussi montré la distribution de la quantité de mouvement du boson de Higgs et de ses produits de désintégrations. Toutes ces mesures testent le Modèle standard avec une précision accrue. Les physicien-ne-s cherchent justement la moindre déviation par rapport aux prédictions théoriques dans l’espoir de trouver la brèche qui révèlerait en quoi consiste la « nouvelle physique », celle qui permettra d’aller au-delà du Modèle standard.

Une série de mesures de la force du signal correspondant à différents modes de désintégrations obtenus par la Collaboration CMS. Toutes les valeurs mesurées n’ont révélé aucun écart par rapport à la valeur de 1.0 prévue par le Modèle standard, du moins dans l’état actuel des marges d’erreurs expérimentales. Une déviation suggérerait la manifestation de quelque chose allant au-delà du Modèle standard.

Mais aucune des nombreuses tentatives directes entreprises pour trouver des particules liées à cette nouvelle physique ne s’est avérée fructueuse jusqu’à maintenant. Bien qu’on ait vérifié des centaines de possibilités correspondant à autant de scénarios différents impliquant des particules hypothétiques de supersymétrie, on n’a encore détecté aucun signe de leur présence.

Tout cela s’apparente beaucoup à des fouilles archéologiques : on doit souvent pelleter longtemps avant d’extraire quelque chose de spécial. Chaque analyse effectuée correspond à un seau de terre enlevé. Et chaque petit bout d’information récoltée contribue à fournir une vue d’ensemble. Aujourd’hui, grâce aux dizaines de nouveaux résultats présentés à la conférence, les théoricien-ne-s sont en bien meilleure position pour tirer des conclusions générales, éliminer les modèles erronés et trouver la bonne solution.

Tout le monde attend maintenant avec impatience la reprise du LHC prévue pour le début de 2015 afin de récolter de nouvelles données à plus haute l’énergie et explorer tout un monde de nouvelles possibilités. Tous les espoirs de découvrir la nouvelle physique seront alors renouvelés.

Pauline Gagnon

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Même avant mon départ pour La Thuile (Italie), les résultats des Rencontres de Moriond remplissaient déjà les fils d’actualités. La session de cette année sur l’interaction électrofaible, du 15 au 22 mars, a débuté avec la première « mesure mondiale » de la masse du quark top, basée sur la combinaison des mesures publiées jusqu’à présent par les expériences Tevatron et LHC. La semaine s’est poursuivie avec un résultat spectaculaire de CMS sur la largeur du Higgs.

Même si elle approche de son 50^e anniversaire, la conférence de Moriond est restée à l’avant-garde. Malgré le nombre croissant de conférences incontournables en physique des hautes énergies, Moriond garde une place de choix dans la communauté, pour des raisons en partie historiques : cette conférence existe depuis 1966 et elle s’est imposée comme l’endroit où les théoriciens et les expérimentateurs viennent pour voir et être vus. Regardons maintenant ce que les expériences du LHC nous ont réservé cette année…

Nouveaux résultats­­­

Cette année, le clou du spectacle à Moriond a bien entendu été l’annonce de la meilleure limite à ce jour pour la largeur du Higgs, à < 17 MeV avec 95 % de confiance, présentée aux deux sessions de Moriond par l’expérience CMS. La nouvelle mesure, obtenue par une nouvelle méthode d’analyse basée sur les désintégrations du Higgs en deux particules Z, est environ 200 fois plus précise que les précédentes. Les discussions sur cette limite ont porté principalement sur la nouvelle méthode utilisée pour l’analyse. Quelles hypothèses étaient nécessaires ? La même technique pouvait-elle être appliquée à un Higgs se désintégrant en deux bosons W ? Comment cette nouvelle largeur allait-elle influencer les modèles théoriques pour la nouvelle physique ? Nous le découvrirons sans doute à Moriond l’année prochaine…

L’annonce du premier résultat mondial conjoint pour la masse du quark top a aussi suscité un grand enthousiasme. Ce résultat, qui met en commun les données du Tevatron et du LHC, constitue la meilleure valeur jusqu’ici, au niveau mondial, à 173,34 ± 0,76 GeV/c². Avant que l’effervescence ne soit retombée à la session de QCD de Moriond, CMS a annoncé un nouveau résultat préliminaire fondé sur l’ensemble des données collectées à 7 et 8 TeV. Ce résultat est à lui seul d’une précision qui rivalise avec celle de la moyenne mondiale, ce qui démontre clairement que nous n’avons pas encore atteint la plus grande précision possible pour la masse du quark top.

Ce graphique montre les quatre mesures de la masse du quark top publiées respectivement par les collaborations ATLAS, CDF, CMS et D0, ainsi que la mesure la plus précise à ce jour obtenue grâce à l’analyse conjointe.

D’autres nouveautés concernant le quark top, entre autres les nouvelles mesures précises de son spin et de sa polarisation issues du LHC, ainsi que les nouveaux résultats d’ATLAS pour la section efficace du quark top isolé dans le canal de désintégration t, ont été présentés par Kate Shaw le mardi 25 mars. La période II du LHC permettra d’approfondir encore notre compréhension du sujet.

Une mesure fondamentale et délicate permettant d’explorer la nature de la brisure de la symétrie électrofaible portée par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs est celle de la diffusion de deux bosons vecteurs massifs. Cet événement est rare, mais en l’absence du boson de Higgs sa fréquence augmenterait fortement avec l’énergie de la collision, jusqu’à enfreindre les lois de la physique. Un indice de la collision d’un boson vecteur de force électrofaible a été détecté pour la première fois par ATLAS dans des événements impliquant deux leptons de même charge et deux jets présentant une grande différence de rapidité.

S’appuyant sur l’augmentation du volume de données et une meilleure analyse de celles-ci, les expériences du LHC s’attaquent à des états finaux multi-particules rares et difficiles qui font intervenir le boson de Higgs. ATLAS en a présenté un excellent exemple, avec un nouveau résultat dans la recherche de la production d’un Higgs associé à deux quarks top et se désintégrant en une paire de quarks b. Avec une limite prévue de 2,6 fois la prédiction du Modèle standard pour ce seul canal et une intensité de signal relative observée de 1,7 ± 1,4, la future exploitation à haute énergie du LHC, avec laquelle la fréquence de cet événement augmentera, suscite de grands espoirs.

Dans le même temps, dans le monde des saveurs lourdes, l’expérience LHCb a présenté des analyses supplémentaires de l’état exotique X(3872). L’expérience a confirmé de manière non ambiguë que ses nombres quantiques J^pc sont 1⁺⁺ et a mis en évidence sa désintégration en ψ(2S)γ.

L’étude du plasma de quarks et de gluons se poursuit dans l’expérience ALICE, et les discussions ont porté surtout sur les résultats de l’exploitation du LHC en mode proton-plomb (p-Pb). En particulier, la « double crête » nouvellement observée dans les collisions p-Pb est étudiée en détail, et des analyses du pic de ses jets, de sa distribution de masse et de sa dépendance à la charge ont été présentées.

Nouvelles explorations

Grâce à notre nouvelle compréhension du boson de Higgs, le LHC est entré dans l’ère de la physique du Higgs de précision. Notre connaissance des propriétés du Higgs – par exemple les mesures de son spin et de sa largeur – s’est améliorée, et les mesures précises des interactions et des désintégrations du Higgs ont elles aussi bien progressé. Des résultats relatifs à la recherche d’une physique au-delà du Modèle standard ont également été présentés, et les expériences du LHC continuent de s’investir intensément dans la recherche de la supersymétrie.

En ce qui concerne le secteur de Higgs, de nombreux chercheurs espèrent trouver les cousins supersymétriques du Higgs et des bosons électrofaibles, appelés neutralinos et charginos, par l’intermédiaire de processus électrofaibles. ATLAS a présenté deux nouveaux articles résumant de multiples recherches en quête de ces particules. L’absence d’un signal significatif a été utilisée pour définir des limites d’exclusion pour les charginos et les neutralinos, soit 700 GeV – s’ils se désintègrent via des partenaires supersymétriques intermédiaires de leptons – et 420 GeV – quand ils se désintègrent seulement via des bosons du Modèle standard.

Par ailleurs, pour la première fois, une recherche du mode électrofaible le plus difficile à observer, produisant une paire de charginos qui se désintègrent en bosons W, a été entreprise par ATLAS. Ce mode ressemble à celui de la production de paires de W du Modèle standard, dont le taux mesuré actuellement paraît légèrement plus élevé que prévu.

Dans ce contexte, CMS a présenté de nouveaux résultats dans la recherche de la production d’une paire électrofaible de higgsinos via leur désintégration en un Higgs (à 125 GeV) et un gravitino de masse presque nulle. L’état final montre une signature caractéristique de jets de quatre quarks b, compatible avec une cinématique de double désintégration du Higgs. Un léger excès du nombre d’événements candidats signifie que l’expérience ne peut pas exclure un signal de higgsino. On établit des limites supérieures de l’intensité du signal d’environ deux fois la prédiction théorique pour des masses du higgsino comprises entre 350 et 450 GeV.

Dans plusieurs scénarios de supersymétrie, les charginos peuvent être métastables et ils pourraient potentiellement être détectés sous la forme de particules à durée de vie longue. CMS a présenté une recherche innovante de particules génériques chargées à durée de vie longue, effectuées en cartographiant l’efficacité de détection en fonction de la cinématique de la particule et de la perte d’énergie dans le trajectographe. Cette étude permet non seulement d’établir des limites strictes pour divers modèles supersymétriques qui prédisent une durée de vie du chargino (c*tau) supérieure à 50 cm mais elle fournit également un puissant outil à la communauté des théoriciens pour tester de manière indépendante les nouveaux modèles prédisant des particules chargées à durée de vie longue.

Afin d’être aussi général que possible dans la recherche de la supersymétrie, CMS a également présenté les résultats de nouvelles recherches, dans lesquelles un grand sous-ensemble des paramètres de la supersymétrie, tels que les masses du gluino et du squark, sont testés pour vérifier leur compatibilité statistique avec différentes mesures expérimentales. Cela a permis d’établir une carte des probabilités dans un espace à 19 dimensions. Cette carte montre notamment que les modèles prédisant des masses inférieures à 1,2 TeV pour le gluino et inférieures à 700 GeV pour le sbottom et le stop sont fortement défavorisés.

… mais pas de nouvelle physique

Malgré toute ces recherches minutieuses, ce qu’on a le plus entendu à Moriond, c’était: « pas d’excès observé » – « cohérent avec le Modèle standard ». Tous les espoirs reposent maintenant sur la prochaine exploitation du LHC, à 13 TeV. Si vous souhaitez en savoir davantage sur les perspectives ouvertes par la deuxième exploitation du LHC, consultez l’article suivant du Bulletin du CERN: “La vie est belle à 13 TeV“.

En plus des divers résultats des expériences du LHC qui ont été présentés, des nouvelles ont aussi été rapportées à Moriond par les expériences du Tevatron, de BICEP, de RHIC et d’autres expériences. Pour en savoir plus, consultez les sites internet de la conférence, Moriond EW et Moriond QCD.