Sauvage, G.

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Quete de l'origine de la masse

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Quete de l’origine de la masseG. SauvageTo cite this version:G. Sauvage. Quete de l’origine de la masse. Les Journees d’Instrumentation et de ProspectiveGiens 2002, Oct 2002, Giens, France. Numero Special Juin 2003, pp.15-17, 2003. <in2p3-00013795>HAL Id: in2p3-00013795http://hal.in2p3.fr/in2p3-00013795Submitted on 3 Jul 2003HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.Lettre IN2P3Giens 2002Depuis plus de deux décennies, les progrès expérimen-taux et théoriques en physique des hautes énergies n’ontcessé de confirmer ce que nous appelons le modèlestandard de physique des particules. Dans ce modèle,les interactions faibles et électromagnétiques sont uni-fiées en une seule interaction électrofaible. Les interac-tions fortes y ont aussi été intégrées avec, comme grou-pe de symétrie, le groupe SU(3) C¯ SU(2) L¯ U(1)Y. Undes premiers grands succès de la théorie a été la décou-verte, au début des années quatre-vingt au Cern, desbosons intermédiaires W+, W- et Z0, médiateurs de l’in-teraction faible, avec une masse un peu en dessous de100 GeV, en accord avec les prédictions.Depuis, les mesures de précision effectuées au LEPau Cern, aussi bien à LEP100 (production de Z0) qu’àLEP200 (production de paires W+W-), ainsi qu’au SLCà Slac et au Tevatron à Fermilab ont vérifié ces prédic-tions avec une précision inégalée dans ce domained’énergie. Néanmoins, dans la construction de ce modèle théo-rique, où, au départ, les particules élémentaires, quarkset leptons, ont une masse nulle, un mécanisme de bri-sure de symétrie est nécessaire pour leur donner unemasse. Le mécanisme le plus couramment admis estl’introduction d’un doublet supplémentaire de champsscalaires se couplant aux particules de la théorie et fai-sant apparaître une nouvelle particule appelée boson deHiggs. Aucune prédiction sur la valeur de la masse decette particule n’est cependant faite : d’où la recherchesystématique effectuée sur l’ensemble du domained’énergie accessible auprès des accélérateurs.Le boson de Higgs n’étant pas présent dans des donnéesdéjà existantes, comme cela a été vérifié, il a été recher-ché à la plus haute énergie accessible au LEP. Les me-sures de précision permettent, de façon indirecte, dedonner une limite sur la masse grâce aux corrections ra-diatives faisant intervenir des boucles avec un boson deHiggs virtuel. Les limites sont peu contraignantes car, engénéral, ces corrections dépendent logarithmiquementde la masse du boson de Higgs : MH = 91+58-37 GeV etMH £ 211 GeV avec 95 % de degré de confiance. La re-cherche directe au LEP a été faite via la réaction de pro-duction e+e- fi Z0(*)H0. Au cours des dernières années defonctionnement du LEP, afin d’explorer la plus hautemasse possible pour le boson de Higgs, l’énergie des fais-ceaux a été poussée à son extrême limite par l’ajout decavités RF supraconductrices supplémentaires. Le résul-tat final est que la masse du Higgs est supérieure à114,4 GeV avec 95 % de degré de confiance. Pour allerplus haut en masse, il faut se tourner vers des accéléra-teurs plus énergiques comme le Tevatron à Fermilab(collisions proton-antiproton à 2 x 0,96 TeV), le LHCau Cern (collisions proton-proton à 2 x 7 TeV) dont onespère la mise en route en 2007 et, à plus long terme, lecollisionneur linéaire à électrons-positrons d’énergiecomprise entre 0,5 et 1 TeV.Le Dapnia et l’IN2P3 ont participé activement à cetterecherche avec les expériences UA1 et UA2 au Sp‘pS duCern pour la découverte des bosons intermédiaires Wet Z, puis plus récemment avec les quatre expériencesAleph, Delphi, L3 et Opal au LEP (mesures de préci-sion et recherche directe). Ils continuent à le faire avecl’expérience D0 à Fermilab (run II) et les futures expé-riences Atlas et CMS au LHC. Enfin, dans un futurplus lointain, ils participeront au collisionneur linéaireà électrons.Au Tevatron, le run IIa qui vient de commencer doitpermettre d’accumuler une luminosité intégrée vingtfois plus grande (2 fb-1), à une énergie dans le centre demasse un peu plus élevée qu’avant et avec une luminosi-té instantanée nettement plus élevée (1032 cm-2s-1 au lieude 2 x 1031 cm-2s-1). Cette augmentation de luminosité aobligé les deux expériences CDF (Collider Detector atFermilab) et D0 à modifier leur électronique de lectureet déclenchement car les croisements entre faisceauxétaient plus proches. Des améliorations ont aussi étéapportées aux détecteurs avec, par exemple pour D0,l’installation d’un solénoïde supraconducteur pour quele détecteur de traces mesure aussi l’impulsion des par-ticules chargées et l’installation de détecteurs au sili-cium plus performants pour détecter des vertex secon-daires. Le mode le plus prometteur pour détecter le bo-son de Higgs à Fermilab est la production associée  q‘q’fi W H0 ou q‘q’ fi Z H0, le boson de Higgs se désinté-P h y s i q u e  d e s  p a r t i c u l e sQuête de l’origine de la masse15Pour les physiciens des particules partis à la quête du (ou des) boson(s) de Higgs, l’accroissement de l’énergie des faisceaux d’accélérateurs est unepriorité. Après le LEP puis le Tevatron, les expériences se poursuivront auprèsdu LHC et à plus long terme probablement auprès d’un collisionneur linéaired’électrons de très haute énergie.Le Higgs au LEPLe Higgs au TevatronLettre IN2P3Giens 2002grant en une paire de quarks b, H0 b‘b’. L’étiquetage duquark b par la présence d’un vertex secondaire est doncparticulièrement important. La limite sur la masse duboson de Higgs pourra être montée un peu au-dessusde la limite atteinte par LEPII, soit jusqu’à environ 120GeV à la fin du run IIa. On estime qu’il faut une lumi-nosité intégrée de 10 fb-1 pour exclure le boson deHiggs jusqu’à une masse de 140 GeV.Au LHC, le Dapnia et l’IN2P3 participent à laconstruction des deux expériences généralistes Atlas etCMS. L’énergie des faisceaux de protons, 7 TeV, et laluminosité instantanée 1033 cm-2s-1 puis 1034 cm-2s-1 don-neront accès à une recherche du boson de Higgs jusqu’àune masse de l’ordre du TeV. À basse masse, autour de120 GeV, le mode le plus prometteur est la productionde Higgs par fusion de gluons gg H0 ou par fusion deW ou Z, qq’ fi WWqq’ ou ZZqq’ fi H0qq’, suivie parla désintégration du Higgs en 2 photons H0 fi gg . Lescalorimètres électromagnétiques de ces deux expé-riences ont été soigneusement optimisés pour détecterce mode. Plusieurs groupes français sont engagés dansla construction des calorimètres d’Atlas et de CMS. Ilsont montré à Giens les progrès spectaculaires réalisésces dernières années avec l’assemblage de la premièredes deux roues du calorimètre central pour Atlas (pho-to), et la livraison du premier quart des 80000 cristauxde tungstate de plomb et la réalisation d’environ unsixième des modules du baril central pour CMS.Au-dessus d’une masse d’environ 140 GeV, les désin-tégrations du boson de Higgs en une paire de W ou enune paire de Z, H fi W+ W ou H fi Z0(*) Z0, sont plusindiquées pour sa mise en évidence. Cela conduit, enexcluant les états purement hadroniques trop difficiles àisoler des interactions hadroniques QCD ordinaires, àrechercher des états finals 2l2 n (2 leptons chargés,2 neutrinos) ou ln jj (lepton neutrino et 2 jets) pour lespaires de W et à rechercher des états finals 4 leptonschargés (électron, muon ou tau) ou 2 leptons chargés2 neutrinos pour les paires ZZ. Les autres sous-détec-teurs d’Atlas et de CMS, tels que le détecteur de tracesinterne comprenant des détecteurs à pixels de siliciumet des détecteurs de silicium, le calorimètre hadroniqueet le spectromètre à muons, seront sollicités pour mesu-rer soit l’énergie transverse manquante (présence deneutrinos), soit l’impulsion des électrons et des muons(lepton chargé). Plusieurs groupes français sont engagésdans la construction de ces sous-détecteurs. Les calen-driers montrés à Giens laissent espérer que ces détec-teurs seront effectivement prêts à voir les premières col-lisions proton-proton en 2007. La découverte du bosonde Higgs est de première importance, mais l’étude deses propriétés (valeur de sa masse, valeur de la section ef-ficace de production, rapports d’embranchement…)l’est également pour le caractériser complètement. Uncertain nombre de ces mesures seront faites au LHC etle collisionneur linéaire à électrons-positrons ambitionnede les effectuer avec une encore plus grande précision.Des physiciens du Dapnia et de l’IN2P3 se sont regrou-pés dans la collaboration Socle pour étudier la physiqueauprès d’un tel collisionneur et définir le détecteur àconstruire. Plusieurs programmes de R&D sont déjàengagés : calorimètre électromagnétique à plaques detungstène et de détecteurs au silicium, TPC, détecteursau silicium, capteurs Cmos pour un détecteur àpixels… De plus, ces deux organismes ont participé etparticipent via les projets Tesla et Clic aux R&D accélé-rateurs nécessaires pour montrer la faisabilité d’un accé-lérateur linéaire supraconducteur.Le programme ci-dessus a été décrit dans le cadre dumodèle standard strict avec un seul boson de Higgs. Or,on sait qu’en dehors de l’absence de mise en évidencedu boson de Higgs le modèle standard présente plu-sieurs difficultés théoriques graves telles que le problè-me de l’ajustement très fin des corrections à apporteraux masses, la question de la hiérarchie entre l’échellede grande unification et l’échelle électrofaible ou le faitque la gravitation n’entre pas facilement dans ce cadrethéorique. Une façon élégante de surmonter ces diffi-cultés est de supposer l’existence d’une symétrie supplé-mentaire, la supersymétrie, dans laquelle à chaque fer-mion on fait correspondre un partenaire boson supersy-métrique, et réciproquement. Dans ce cas, le secteur duHiggs se complique et, au lieu d’introduire un doubletde champs scalaires pour expliquer la masse, il faut enintroduire au moins deux ; dans le modèle supersymé-trique minimal (nombre minimal de paramètres sup-plémentaires), il apparaît alors deux bosons de Higgschargés H+ et H- et trois bosons neutres appelés h, H etP h y s i q u e  d e s  p a r t i c u l e s16Le Higgs au LHCVers un collisionneur linéaire électrons-positronsContact : Gilles Sauvagegilles.sauvage@lapp.in2p3.frPremière roue du calorimètred’Atlas(enveloppée de plastiquerouge) avant sonintroductiondans le cryostat.© CernA. Bien entendu, cette nouvelle symétrie est brisée dansla mesure où aucune particule supersymétrique n’a étévue à ce jour, cette brisure se situant à l’énergie du TeV.Cela renforce évidemment la nécessité d’effectuer desmesures précises sur le ou les bosons de Higgs trouvés,pour préciser quel scénario de supersymétrie la natureaurait choisi. D’autres modèles ont été proposés pourrésoudre les difficultés théoriques indiquées ci-dessus,par exemple des modèles avec des extradimensions oudes modèles de technicouleur. Ces derniers pourrontêtre aussi testés au LHC et au collisionneur linéaire.La quête de l’origine de la masse, axe majeur de re-cherche en physique des particules, mobilise, on le voit,beaucoup de physiciens au sein de l’IN2P3 et duDapnia. Les prochaines années, avec les prises de don-nées au Tevatron de Fermilab et le démarrage du LHC,sont donc attendues de pied ferme.P h y s i q u e  d e s  p a r t i c u l e s17Lettre IN2P3Giens 2002

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