Coup d’envoi pour la physique du LHC en 2017

L'une des premières collisions proton-proton enregistrées par le détecteur LHCb en 2017, le 23 mai. (Image : LHCb/CERN)

C’est reparti pour la physique au LHC. Aujourd’hui, les opérateurs du Grand collisionneur de hadrons ont donné le coup d’envoi pour la prise des données par les expériences en 2017. L’exploitation démarre progressivement, avec seulement quelques paquets de protons par faisceau. Les opératrices et opérateurs qui pilotent le plus puissant collisionneur du monde vont graduellement augmenter le nombre de paquets circulant dans la grande boucle. Ils réduiront également la taille des faisceaux aux points d’interaction. Dans quelques semaines, plus d’un milliard de collisions se produiront alors chaque seconde au cœur des expériences.

L’an passé, le LHC a produit un nombre impressionnant de données, 6,5 millions de milliards de collisions, soit une luminosité cumulée sur l’année de près de 40 femtobarns inverses. La luminosité est un indicateur crucial pour un collisionneur, qui correspond au nombre de collisions susceptibles de se produire en un temps donné et par unité de surface. En 2017, les opérateurs espèrent offrir le même nombre de collisions qu’en 2016, mais sur une période plus courte. Le LHC a en effet été remis en route un mois plus tard dans l’année, du fait de l’arrêt technique prolongé.

« Au cours des deux premières années d’exploitation à une énergie de collision de 13 TeV, nous avons acquis une excellente connaissance du fonctionnement du LHC, qui va nous permettre d’optimiser encore son exploitation pour la troisième année, indique Frédérick Bordry, le directeur des accélérateurs et de la technologie du CERN. Notre objectif est d’augmenter encore la luminosité instantanée et de maintenir l’excellente disponibilité du LHC, ce qui serait déjà une grande performance. »

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L'une des premières collisions proton-proton avec faisceaux stables enregistrées par le détecteur CMS en 2017, le 23 mai. (Image : CMS/CERN)

La physique des particules repose sur une analyse statistique des phénomènes ; la taille des échantillons est donc cruciale. Autrement dit, plus le nombre de collisions révélant un phénomène est grand, plus le résultat est solide. Les expériences entendent donc tirer parti des grandes quantités de données délivrées par le LHC pour poursuivre leur exploration à l’énergie la plus élevée jamais atteinte par un accélérateur.

« Les expériences du LHC se sont bien préparées à doubler la statistique par rapport à celle obtenue en 2016 à 13 TeV. Grâce à la nouvelle collecte de données, elles pourront réduire les incertitudes sur les observations, qui apparaissent chaque fois que l’on entre en Terra Incognita », indique Eckhard Elsen, directeur de recherche et de l’informatique.

Les physiciennes et physiciens du LHC travaillent dans deux directions : améliorer la connaissance du connu et sonder l’inconnu. Le connu, c’est le Modèle standard des particules et des forces, théorie qui regroupe les connaissances actuelles sur les particules élémentaires. Le boson de Higgs, découvert en 2012, joue un rôle clé dans le Modèle standard. C’est aussi une particule scalaire, fondamentalement différente des autres particules élémentaires. En 2017, ATLAS et CMS poursuivront la caractérisation de cette particule. Les deux grandes expériences généralistes vont observer ses modes de désintégration et la manière dont elle interagit avec les autres particules. Ces mesures pourraient permettre d’obtenir des indications sur une possible nouvelle physique au-delà du Modèle standard. Les expériences réalisent de surcroît des mesures précises d’autres processus du Modèle standard, notamment avec le quark top, la plus massive des particules élémentaires.

Les physiciens espèrent notamment déceler des écarts entre les mesures et le Modèle standard. C’est l’une des méthodes pour sonder l’inconnu.

S’il décrit avec précision un grand nombre de phénomènes de l’infiniment petit, le Modèle standard  laisse de nombreuses questions en suspens. Il ne décrit par exemple que 5 % de l’Univers : le reste serait formé de matière noire et d’énergie noire, inconnues.

Tout écart avec la théorie pourrait orienter les physiciens vers un cadre théorique plus large, une nouvelle physique, qui permettrait de résoudre les énigmes manifestes.

L'une des premières collisions enregistrées avec des faisceaux stables par ATLAS le 23 mai 2017, avec un muon (la ligne droite qui traverse le détecteur). Les deux images du haut montrent une coupe transversale du détecteur et un graphique représentant les dépôts d'énergie dans les calorimètres. En bas à gauche, une coupe longitudinale du détecteur. (Image : ATLAS/CERN)

ATLAS, CMS et LHCb mesurent ainsi précisément les processus pour y déceler des anomalies. ATLAS et CMS recherchent également de nouvelles particules, comme celles prédites par la théorie de la supersymétrie, et qui pourraient être des constituants de la matière noire. 

LHCb s’intéresse également au déséquilibre entre matière et antimatière. Les deux auraient  été créées en quantité égale au moment du Big Bang, mais l’antimatière est aujourd’hui quasiment absente de l’Univers. LHCb traque le phénomène appelé « violation de charge-parité » qui serait responsable, tout au moins en partie, de ce déséquilibre.

L'une des premières collisions proton-proton enregistrées avec des faisceaux stables en 2017 par ALICE. (Image: ALICE/CERN)

Des collisions avec des ions plomb, objet d’étude privilégié d’ALICE, ne sont pas au programme du LHC cette année. ALICE poursuivra l’analyse des données de 2016 et enregistrera des collisions proton-proton, qui offrent également des possibilités d’étude de la force forte. Avec les collisions proton-proton de 2016, ALICE a en effet récemment annoncé avoir observé un état de matière ressemblant au plasma quarks-gluons. Le plasma quarks-gluons est l’état de la matière qui a existé quelques millionièmes de seconde après le Big Bang.

Enfin, plusieurs jours de physique avec des faisceaux desserrés sont prévus pour les expériences TOTEM et ATLAS/ALFA.

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