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Posts Tagged ‘13 TeV’

Impressionnant, excitant et plein de nouvelles perspectives. Cela résume mon impression alors que se termine aujourd’hui la conférence de physique des particules de la Société européenne de physique (EPS) à Vienne.

Nous avons été exposés à une quantité impressionnante de nouvelles données. Non seulement les expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont finalisé la plupart de leurs analyses sur l’ensemble des données recueillies avant l’arrêt début 2013, mais elles ont aussi déjà commencé à analyser les nouvelles données. Ceci confirme que tout, des détecteurs aux logiciels de reconstruction, fonctionne parfaitement après le vaste programme d’améliorations et de réparations.

conference-dinner

Souper de clôture de la conférence au magnifique palais Schönbrunn à Vienne (Photo: Gertrud Konrad)

Tous les outils nécessaires aux analyses de physique – simulations, systèmes d’acquisition de données, trigger, calibrations et algorithmes d’analyse – produisent déjà des résultats de haute qualité avec les données des collisions à une énergie de 13 TeV. Les expériences sont clairement en mesure de reprendre les analyses là où elles les avaient laissées avec les données collectées à 8 TeV. Bien sûr, il n’y a encore aucuns signes de nouveaux phénomènes mais les expériences LHCb, CMS et ATLAS ont toutes de petites anomalies qui devraient être élucidées avec les nouvelles données du LHC.

Durant cette conférence, on a pu apprécié aussi la variété des expériences en place et les nouveaux résultats qui commencent déjà à arriver sur la matière sombre et l’énergie sombre. De nouvelles avenues sont aussi explorées pour élargir les recherches dans l’espoir de découvrir les 95 % du contenu de l’Univers qui manquent toujours à l’appel. Les expériences ont fait des pas de géants et on s’attend à des percées majeures d’ici à peine quelques années. On peut aussi espérer des développements dans le secteur des neutrinos, un domaine de recherche prolifique mais aussi un des plus déconcertants et embrouillants depuis de nombreuses années.

Comme l’a souligné Pierre Binetruy, un théoricien travaillant en cosmologie : « Les découvertes simultanées du boson de Higgs et la confirmation de quelques unes des caractéristiques de l’inflation (la période marquée par une expansion fulgurante juste après le Big Bang) a ouvert une nouvelle ère dans la compréhension commune de la cosmologie et de la physique des particules ». Nous sommes clairement à la veille de percées majeures et de nouvelles découvertes dans plusieurs domaines. La prochaine conférence sera sans aucun doute un événement à ne pas manquer.

Pauline Gagnon

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La conférence de physique des particules de la Société de Physique Européenne (EPS) se poursuit à Vienne, les sessions parallèles ayant cédé la place aux sessions plénières. Les présentateurs et présentatrices ont maintenant la dure tâche de récapituler les centaines de résultats présentés jusqu’ici à la conférence et d’en tirer une vue d’ensemble.

Durant les deux dernières années, le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a subi des améliorations majeures. Les expérimentalistes en ont profité pour examiner sous toutes les coutures (et même plus!) l’ensemble des données accumulées avant l’arrêt. Avec les calibrations finales et des algorithmes améliorés, presque toutes les analyses incluent maintenant la totalité des données récoltées à une énergie de 8 TeV. Dans la plupart des cas, ces mois de travail acharné effectué par des centaines de personnes n’auront produit qu’une légère amélioration dans la précision des résultats. Ces récents résultats, bien que solides comme le roc, n’ont malheureusement rien révélé de nouveau.

C’est la mauvaise nouvelle. La bonne nouvelle : on s’attend à quatre fois plus de données dans l’année qui vient et à plus haute énergie, ce qui rendra de nouveaux phénomènes accessibles.

En voici un exemple. Les expériences CMS et ATLAS cherchent, entre autres, des particules lourdes mais encore hypothétiques qui se désintègreraient en deux bosons connus, à savoir des photons, ou des bosons Z, W ou de Higgs. Les trois derniers bosons peuvent à leur tour se désintégrer en jets de particules légères faites de quarks.

La désintégration d’une particule s’apparente à faire la monnaie pour une grosse pièce de monnaie : la pièce de monnaie initiale ne contient pas de petites pièces, mais peut être échangée pour des pièces de valeur égale, comme sur le diagramme ci-dessous. Les quatre pièces de 50 centimes pourraient provenir d’une pièce de deux euros ou de deux pièces de un euro. De même, dans nos détecteurs, quand nous trouvons quatre jets de particules, ils peuvent provenir de deux bosons produits indépendamment (dans l’exemple ci-dessus, deux bosons Z), ou venir de quatre quarks produits directement. Tout ceci constitue le bruit de fond, tandis que le signal correspond dans ce cas au nouveau boson, celui qui s’est désintégré en deux bosons.

pieces de monnaie

La désintégration d’une particule s’apparente à faire la monnaie pour une pièce.

Une pièce de monnaie n’a qu’une valeur mais une particule possède à la fois masse et énergie. Quand on échange une grosse pièce pour de la monnaie, la valeur initiale est conservée. Avec des particules, nous devons prendre en compte la masse et l’énergie de tous les produits de désintégration pour calculer la masse combinée de la particule originale. Dernier détail : si la particule qui se désintègre est beaucoup plus lourde que les deux bosons qu’elle produit, les jets venant de ces bosons seront à peine séparés. Ils se déplaceront côte à côte. On n’observera alors non pas quatre jets, mais seulement deux jets plus évasés.

Si ces deux larges jets proviennent de deux Z bosons produits indépendamment, la valeur totale de leur masse combinée sera aléatoire, comme si nous additionnions la valeur de la monnaie au fond de nos poches. Si des milliers de personnes notaient sur un graphe la valeur de leur petite monnaie, nous obtiendrions une distribution comme celle de la ligne bleue ci-dessous. La majorité des gens ne traîne qu’un peu de monnaie, mais certaines personnes trimbalent une petite fortune en pièces de monnaie.

ATLAS-bump

Un excès d’évènement trouvés ayant une masse de 2 TeV trouvés par ATLAS

L’axe horizontal donne la valeur de la masse combinée des deux jets pour chaque événement récolté par la Collaboration d’ATLAS qui en contenait deux. L’axe vertical montre combien d’événements ont été trouvés avec une valeur de masse particulière. La ligne bleue montre les contributions du bruit de fond et les autres lignes colorées correspondent à diverses hypothèses théoriques. Les points noirs représentent les données réelles et devraient être distribués de façon similaire à la ligne bleu en l’absence de nouvelles particules.

Une petite bosse est visible autour d’une valeur de masse de 2 TeV : il y a plus d’événements dans les données que ce à quoi on s’attend venant de sources connues. Mais il y a toujours un certain flou dans toute mesure à cause des erreurs expérimentales. Si on répétait la même mesure mille fois, au moins une de ces mesures aurait un écart semblable. Il est donc beaucoup trop tôt pour dire qu’il pourrait s’agir des premiers signes de la présence d’une nouvelle particule, comme un boson W’ hypothétique par exemple. Mais ce sera à suivre dans les nouvelles données.

CMS-dijet-8TeV-13TeV

Des évènements intrigants trouvés par CMS dans les nouvelles (à gauche) et les anciennes données (à droite)

La Collaboration CMS a aussi quelques événements intrigants, comme celui ci-dessus à gauche trouvé parmi les toutes nouvelles données recueillies depuis la reprise du LHC à 13 TeV. Les deux jets ont une masse combinée d’environ 5,0 TeV. Un évènement semblable ayant une masse combinée de 5,15 TeV (droite) a aussi été trouvé dans les données accumulées à 8 TeV. Il y a 500 fois moins de données à 13 TeV qu’à 8 TeV, mais les expériences peuvent déjà poursuivre les analyses effectuées à 8 TeV.

Il est beaucoup trop tôt pour dire quoi que ce soit. Un peu comme si nous regardions à distance, par un jour brumeux et à la tombée de la nuit, essayant de voir si le train s’en vient. La forme floue aperçue au loin est-elle réelle ou juste une illusion ? Personne ne le sait, il faut attendre que le train se rapproche. Mais pas pour longtemps puisque le LHC est déjà en marche. Les expériences CMS et ATLAS devraient bientôt avoir suffisamment de nouvelles données pour pouvoir trancher. Et là, attachez bien vos tuques, ça va devenir excitant!

Pauline Gagnon

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Yesterday, at the European Physics Society (EPS) Particle Physics conference in Vienna, we moved from parallel sessions to plenary sessions. The tasks of the speakers is now to summarize the hundreds of results presented so far at the conference, and draw the big picture.

For the past two years, the Large Hadron Collider underwent major upgrade work. Experimentalists have used this downtime to look at all collected data from all possible angles (and a few more!). With final calibrations and improved algorithms everywhere, nearly all analyses now included all data collected at 8 TeV. In most cases, months of hard work for hundreds of people only slightly improved the resolution. But these rock solid results have unfortunately not revealed new discoveries.

That’s the bad news. The good news is that four times more data is expected in the coming year at higher energy, making new phenomena accessible.

Here is one example. Both the CMS and ATLAS experiments are looking for heavy hypothetical particles that would decay into two of the known bosons, namely photons, Z, W or Higgs bosons. In turns, the last three bosons could decay into jets of light particles made of quarks.

A particle decay is very similar to making change for a large coin: the initial coin does not contain the smaller coins but can be exchanged for smaller coins of equal value, like on the diagram below. The four pieces of 50 centimes could come either from a two euro coin or from two coins of one euro. Likewise in our detectors, when we find four jets of particles, they can come from two independently produced Z, W or H bosons, or simply from four quarks produced directly. All this is called the background while the signal in this case would be a new boson that first decayed into two bosons.

decay-coins

A particle decay is like making small change for a large coin.

A coin only has one value but a particle carries both mass and energy. When one breaks a large coin, its total value is conserved. With particles, we must take into account the mass and the energy of all the decay products to calculate the combined mass of the original particle. One last detail: when the initial decaying particle is much heavier than the two bosons it produces, the jets coming from these bosons will hardly be separated. They will fly along side each other. In the end, we will not see four jets but rather two broader jets.

If the two broad jets come from two unrelated Z bosons, their total combined mass will be random, just as if we were to sum up the values of the small coins we carry in our pocket. If thousands of people told us the value of their small change, we would get a distribution like the one shown below by the blue line. Most people have only a little change, but some carry a small fortune in coins.

ATLAS-bumpThe horizontal axis gives the combined mass value of each event containing two broad jets found by the ATLAS Collaboration. The vertical axis shows (on a logarithmic scale) how many events were found with a particular value. The blue line shows what is expected from various backgrounds and the other colourful lines correspond to a few hypotheses. The black dots represent the real data and would look similar to the blue line if nothing new were there.

A small bump shows up around a mass value of 2 TeV, that is, more events are seen in data than what is predicted. The excess is 3.4 σ. Since there is always a spread in measured values due to the experimental errors, such a difference would occur at least once if we were to measure this quantity 1000 times. Hence, it is to early to say this could be the first sign of something new like a hypothetical boson denoted W’.

CMS-dijet-8TeV-13TeV

Intriguing events found by CMS with a mass around 5 TeV in the new (left) and old (right) data.

The CMS Collaboration also showed a few intriguing events. One is found in the newest data collected at 13 TeV after the restart of the LHC. The two jets combined mass is 5 TeV (left figure). The second event comes from the data collected earlier at 8 TeV and has a mass of 5.15 TeV. With 500 times less data at 13 TeV than 8 TeV, the experiments are already extending the analyses started with the 8 TeV data.

At this stage, it is way too early to tell. This is similar to looking in the distance on a foggy day, at dusk, trying to see if the train is coming. A faint shape is visible but is this real or just a mirage? No one knows, we must wait for the train to come closer. But not for long since the LHC is on track. Both experiments should soon have enough new data to be more definitive. And then, hold on to your hat, it’s going to get really exciting.

Pauline Gagnon

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LHC-page-1-3juin2015

Today begins the second operation period of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. By declaring “stable beams”, the LHC operators signal to physicists it is now safe to turn all their detectors on. After more than two years of intensive repair and consolidation work, the LHC now operates at higher energy. What do we hope to achieve?

The discovery of the Higgs boson in July 2012 completed the Standard Model of particle physics. This theoretical model describes all matter seen around us, both on Earth and in all stars and galaxies. But this is precisely the problem: this model only applies to what is visible in the Universe, namely 5% of its content in matter and energy. The rest consists of dark matter (27%) and dark energy (68%), two absolutely unknown substances. Hence the need for a more encompassing theory. But what is it and how can it be reached?

By operating the LHC at 13 TeV, we now have much more energy available to produce new particles than during the 2010-2012 period, when the proton collisions occurred at 8 TeV. Given that energy and mass are two forms of the same essence, the energy released during these collisions materialises, producing new particles. Having more energy means one can now produce heavier particles. It is as if one’s budget just went from 8000 euro to 13000 euro. We can “afford” bigger particles if they exist in Nature.

The Standard Model tells us that all matter is built from twelve basic particles, just like a construction set consisting of twelve basic building blocks and some “connectors” linking them together. These connectors are other particles associated with the fundamental forces. Since none of these particles has the properties of dark matter, there must still be undiscovered particles.

Which theory will allow us to go beyond the Standard Model? Will it be Supersymmetry, one of the numerous theoretical hypotheses currently under study. This theory would unify the particles of matter with the particles associated with the fundamental forces. But Supersymmetry implies the existence of numerous new particles, none of which has been found yet.

Will the LHC operating at 13 TeV allow us to produce some of these supersymmetric particles? Or will the entrance of the secret passage towards this “new physics” be revealed by meticulously studying a plethora of quantities, such as the properties of the Higgs boson. Will we discover that it establishes a link between ordinary matter (everything described by the Standard Model) and dark matter?

These are some of the many questions the LHC could clarify in the coming years. An experimental discovery would reveal the new physics. We might very well be on the verge of a huge scientific revolution.

For more information about particle physics and my book, see my website

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2015: The LHC returns

Saturday, January 10th, 2015

I’m really not one for New Year’s resolutions, but one that I ought to make is to do more writing for the US LHC blog.  Fortunately, this is the right year to be making that resolution, as we will have quite a lot to say in 2015 — the year that the Large Hadron Collider returns!  After two years of maintenance and improvements, everyone is raring to go for the restart of the machine this coming March.  There is still a lot to do to get ready.  But once we get going, we will be entering a dramatic period for particle physics — one that could make the discovery of the Higgs seem humdrum.

The most important physics consideration for the new run is the increase of the proton collision energy from 8 TeV to 13 TeV.  Remember that the original design energy of the LHC is 14 TeV — 8 TeV was just an opening step.  As we near the 14 TeV point, we will be able to do the physics that the LHC was meant to do all along.  And it is important to remember that we have no feasible plan to build an accelerator that can reach a higher energy on any near time horizon.  While we will continue to learn more as we record more and more data, through pursuits like precision measurements of the properties of the Higgs boson, it is increases in energy that open the door to the discovery of heavy particles, and there is no major energy increase coming any time soon.  If there is any major breakthrough to be made in the next decade, it will probably come within the first few years of it, as we get our first look at 13 TeV proton collisions.

How much is our reach for new physics extended with the increase in energy?  One interesting way to look at it is through a tool called Collider Reach that was devised by theorists Gavin Salam and Andreas Weiler.  (My apologies to them if I make any errors in my description of their work.)  This tool makes a rough estimate of the mass scale of new physics that we could have access to at a new LHC energy given previous studies at an old LHC energy, based on our understanding of how the momentum distributions of the quarks and gluons inside the proton evolve to the new beam energy.  There are many assumptions made for this estimate — in particular, that the old data analysis will work just as well under new conditions.  This might not be the case, as the LHC will be running not just at a higher energy, but also a higher collision rate (luminosity), which will make the collisions more complicated and harder to interpret.  But the tool at least gives us an estimate of the improved reach for new physics.

During the 2008 LHC run at 8 TeV, each experiment collected about 20 fb-1 of proton collision data.  In the upcoming “Run 2” of the LHC at 13 TeV, which starts this year and is expected to run through the middle of 2018, we expect to record about 100 fb-1 of data, a factor of five increase.  (This is still a fairly rough estimate of the future total dataset size.)  Imagine that in 2008, you were looking for a particular model of physics that predicted a new particle, and you found that if that particle actually existed, it would have to have a mass of at least 3 TeV — a mass 24 times that of the Higgs boson.  How far in mass reach could your same analysis go with the Run 2 data?  The Collider Reach tool tells you:

100fb

Using the horizontal axis to find the 3 TeV point, we then look at the height of the green curve to tell us what to expect in Run 2.  That’s a bit more than 5 TeV — a 70% increase in the mass scale that your data analysis would have sensitivity to.

But you are impatient — how well could we do in 2015, the first year of the run?  We hope to get about 10 fb-1 this year. Here’s the revised plot:

10fb

The reach of the analysis is about 4 TeV. That is, with only 10% of the data, you get 50% of the increase in sensitivity that you would hope to achieve in the entire run.  So this first year counts!  One year from now, we will know a lot about what physics we have an opportunity to look at in the next few years — and if nature is kind to us, it will be something new and unexpected.

So what might this new physics be?  What are the challenges that we face in getting there?  How are physicists preparing to meet them?  You’ll be hearing a lot more about this in the year to come — and if I can keep to my New Year’s resolution, some of it you’ll hear from me.

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