L’année 2018 a été une année record pour le LHC, l’accélérateur ayant livré une quantité de données de collision proton-proton plus de deux fois supérieure à celle fournie sur l’ensemble des trois années de sa première exploitation. Les collaborations se sont employées à recueillir les données fraîchement livrées par le LHC tout en analysant les données accumulées au cours des dernières années ; elles ont ainsi pu présenter tout au long de 2018 un grand nombre de nouveaux résultats de physique. Aujourd’hui, lors d’une session publique du Conseil du CERN, de jeunes scientifiques travaillant pour les quatre grandes expériences LHC ont retracé les moments forts de l’année. Voici quelques-uns de ces nouveaux résultats, qui montrent la richesse et la diversité du programme de physique du LHC.

La chaleur de l’Univers primordial

Les résultats obtenus par ALICE, l’expérience LHC spécialiste des ions lourds auprès du LHC, portaient essentiellement sur l’étude du plasma quarks-gluons, un état dense de quarks et de gluons en liberté qui aurait existé dans l’Univers primordial. Le LHC peut recréer ces conditions en faisant entrer en collision des ions plomb. ALICE a montré que les jets de particules émergeant des collisions plomb-plomb sont plus resserrés que ceux formés dans les collisions proton-proton, ce qui s’explique par l’interaction de ces particules avec la « soupe » que représente le plasma quarks-gluons.

En comparant ces résultats avec ceux du Collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), aux États-Unis, ALICE a constaté que la production de mésons J/ψ au LHC n’était pas si réduite pour de faibles impulsions transversales, ce qui l’a amenée à conclure que la réduction causée par le plasma quarks-gluons était contrecarrée par la recombinaison des quarks c et anti-c en mésons J/ψ. L’équipe a également observé que la proportion de baryons Λ_c par rapport aux mésons D produits dans les collisions plomb-plomb était plus élevée que dans les collisions proton-proton et proton-plomb. Cela correspond à ce qui est attendu si les quarks c se lient à d’autres quarks environnants du plasma quarks-gluons pour former des baryons et des mésons. La dynamique de ces processus sera étudiée avec précision au moyen des futurs ensembles de données qu’ALICE recueillera au cours des prochaines exploitations du LHC. Par ailleurs, ALICE a observé que cette proportion de Λ_c par rapport aux D était plus élevée que ne le prévoient les calculs théoriques, même dans les collisions proton-proton et proton-plomb.

Nouvelles signatures du Higgs

Les deux expériences polyvalentes du LHC – ATLAS et CMS – ont continué d’étudier le boson de Higgs, qu’elles avaient découvert conjointement en 2012. Ce boson scalaire se transforme presque immédiatement après sa production en particules plus légères ; en étudiant ces diverses transformations, ou « modes de désintégration », les physiciens peuvent mettre à l’épreuve le Modèle standard de la physique des particules. Cette année, les collaborations ATLAS et CMS ont toutes deux annoncé qu’elles avaient observé pour la première fois la transformation du Higgs en une paire de quarks b–anti-b. Si le Modèle standard prédit que ce mode de désintégration est le plus fréquent, ces paires b-anti-b sont produites dans le LHC à partir de divers processus ; c’est pourquoi il est difficile d’isoler celles qui sont issues du Higgs.

Puisque le quark top est plus lourd que le boson de Higgs, la transformation du Higgs en paires de quarks t–anti-t est impossible. Toutefois, les scientifiques peuvent étudier les interactions Higgs-top en recherchant des événements au cours desquels un boson de Higgs est produit en même temps qu’une paire t–anti-t ; ATLAS et CMS ont observé cette « production associée » dans les données enregistrées ces dernières années. Les deux collaborations sont également revenues sur leur observation de la transformation du Higgs en une paire tau-antitau, qui avait été rapportée pour la première fois sur la base des données combinées d’ATLAS et de CMS.

Mettre à l’épreuve le Modèle standard

Découvert il y a plus de vingt ans, le quark top reste une source de mesures et d’observations intéressantes. Sa masse présente un intérêt particulier ; ATLAS l’a récemment mesurée avec une précision de 0,3 % – 172,69 ± 0,25 (erreur statistique) ± 0,41 (erreur systématique) GeV – en combinant des données résultant de différents canaux. Pendant ce temps, CMS a exploré des modes de production rares du quark top qui sont sensibles à la physique au-delà du Modèle standard. La collaboration a observé la production d’un quark top, associée à celle d’un boson Z et d’un deuxième quark (tZq), et a présenté des indices de la production d’un quark top, associée à celle d’un photon et d’un autre quark (tγq).

Contrairement au photon, qui est dépourvu de masse, les bosons W et Z peuvent interagir par diffusion, et la probabilité que ce phénomène se produise dépend de la présence du boson de Higgs. La collaboration ATLAS a présenté ses résultats de cette diffusion de paires de bosons W (W^±W^±→W^±W^±), ainsi que de celle d’un boson W et d’un boson Z (W^±Z→W^±Z), dans les deux cas avec des significations statistiques dépassant cinq écarts-types. Grâce aux futures données, les physiciens pourront mesurer cette diffusion avec une plus grande précision, en recherchant les écarts par rapport aux valeurs prédites. L’analyse des bosons W et Z peut également contribuer à la recherche de nouvelles particules ; ainsi, ATLAS a recherché des événements dans lesquels des particules extrêmement massives se transforment en paires de bosons W et Z. L’analyse des données enregistrées par le détecteur a permis d’exclure l’existence de types spécifiques de particules massives allant jusqu’à 4,15 TeV.

Certaines extensions du Modèle standard proposent l’existence d’un boson Z exotique, connu sous le nom de boson Z′ (« Z prime »). L’expérience CMS a recherché de telles particules Z’, mais n’a trouvé dans les données aucun écart par rapport aux prédictions du Modèle standard. Elle a également recherché des particules hypothétiques appelées « leptoquarks », censées être des hybrides de leptons et de quarks ; les données n’ont pas mis en évidence leur existence. Parmi les autres travaux marquants de CMS, on citera des mesures de processus connus du Modèle standard avec une précision améliorée, ainsi que de nouvelles études de la physique des mésons B.

Les collaborations ATLAS et CMS ont toutes deux recherché de nombreuses signatures différentes de la matière noire et de la supersymétrie, mais n’ont trouvé aucun indice de leur existence à partir des divers paramètres étudiés. Cette absence de signaux est cruciale dans la mesure où elle permet aux scientifiques d’imposer des contraintes strictes aux modèles théoriques qui cherchent à expliquer des lacunes du Modèle standard.

Le mystère de l’asymétrie matière-antimatière

Les physiciens des particules recherchent des explications au fait que l’Univers est constitué presque intégralement de matière, l’antimatière étant quasi inexistante. Cette asymétrie pourrait s’expliquer par la différence dans la manière dont matière et antimatière interagissent avec la force faible. L’expérience LHCb, qui a été créée pour étudier cette différence, appelée violation de CP (charge-parité), a présenté lors de la session diverses mesures de précision. Ont été mesurés plusieurs paramètres liés à la matrice dite CKM, qui quantifie une possible violation de CP par les quarks. En particulier, la collaboration a mesuré l’angle γ au moyen de différentes méthodes, et obtenu une valeur moyenne de 74° environ - la mesure la plus précise de cet angle obtenue à ce jour par une seule expérience. Elle a en outre présenté le premier indice d’une transformation rare, celle du méson B_s en un kaon excité et en deux muons, ainsi que les meilleures limites sur la transformation d’un méson B⁺ en trois muons et un neutrino. Par ailleurs, la collaboration LHCb a mis en évidence de nouvelles propriétés du baryon Ξ_cc, qu’elle a observé pour la première fois l’année dernière.

En sus de son mode de fonctionnement habituel, le mode « collision », LHCb a également fonctionné en mode « cible fixe », avec l’injection dans le tube de faisceau de gaz rares, tels que l’hélium, à proximité du point d’interaction. Les atomes de ces gaz rares ont servi de cibles fixes pour les protons ; LHCb a pu ainsi observer dans ces collisions la production de particules J/ψ et D⁰ et effectuer la première mesure de la probabilité de production d’antiprotons dans des collisions proton-hélium.

Perspectives

La deuxième période d’exploitation du LHC a pris fin au début du mois et le deuxième long arrêt (LS2) a commencé ; mais cela ne veut pas dire que les collaborations vont hiberner ! En effet, il faudra encore de nombreux mois avant que la moisson de données déjà récoltées soit entièrement analysée. Et, alors que les collisions seront suspendues durant le LS2, les détecteurs subiront des transformations. Le détecteur LHCb a rempli sa mission d’origine et sera bientôt entièrement rénové, chaque sous-système principal étant soit amélioré, soit remplacé. L’expérience ALICE améliorera la plupart de ses sous-détecteurs, dans le but de mesurer les traces des particules avec une plus grande précision. Les expériences CMS et ATLAS feront elles aussi l’objet de modifications d’envergure en vue du redémarrage du LHC en 2021 et, à terme, en 2025, du relèvement de la luminosité que permettra le LHC à haute luminosité. Grâce à ces améliorations, les expériences LHC pourront continuer à enregistrer d’excellentes données lors des prochaines exploitations, et poursuivre leur voyage vers de nouvelles découvertes.