Que sont le LHC et ses détecteurs ?

Le LHC et ses détecteurs font partie des plus grands et des plus complexes instruments scientifiques jamais construits par l'homme. Situés à la frontière franco-suisse au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), ils ont été construits par une collaboration mondiale de milliers de scientifiques dans le but de comprendre quel est le contenu et les lois fondamentals de l'univers. Il s'agit de découvrir quelles sont les briques élémentaires de la matière et la façon dont elles interagissent.

LHC est l'acronyme de « Large Hadron Collider » ou « Grand Collisionneur de Hadrons ». Il s'agit en effet de faire entrer en collision des protons ou des ions (particules qui appartiennent à la famille des hadrons) après les avoir accélérés à une vitesse très proche de celle de la lumière. Lors de la collision, l'énergie des protons ou des ions est transformée en de nouvelles particules. Des détecteurs géants ont été conçus pour mesurer leurs caractéristiques et permettre ainsi de mieux comprendre la matière à l'échelle de ces particules (bien en deça de 10-15 m soit la taille d'un proton).

Paradoxalement pour scruter la matière aux toutes petites échelles, il faut des instruments très grands : le LHC est un anneau de 27 km de circonférence situé à 100 m sous terre. Les quatre principaux détecteurs placés aux points de croisement des faisceaux de hadrons sont un assemblage d'instruments à la pointe de la technologie, chacun étant de la taille d'un immeuble de plusieurs étages.

Quelle est la contribution du LPSC ?

Le LPSC participe aux expériences ATLAS et ALICE. Sa contribution à ATLAS date du début des années 1990 et le laboratoire a rejoint la collaboration ALICE plus récemment en 2006. Dans les deux cas, nous avons participé à la construction d'une partie des détecteurs. Depuis le démarrage du LHC, nos équipes s'assurent du bon fonctionnement des détecteurs, interviennent dans le traitement informatique des données et participent à leur analyse.

 

Nouvelles

 8 octobre 2013 : annonce du prix Nobel de physique

higgs-and-englert

 

 

 

vp1 Hgg run191426 evt86694500 lo-res tn

Le prix Nobel de physique 2013 a été attribué à François Englert et Peter W. Higgs pour «Pour la découverte théorique du mécanisme contribuant à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques et récemment confirmée par la découverte, par les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC du CERN, de la particule fondamentale prédite par cette théorie». La découverte de la particule de Higgs a été annoncée par les expériences ATLAS (à laquelle participe le LPSC) et CMS auprès du LHC au CERN le 4 juillet de l’année dernière.


Le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble félicite les lauréats dont les travaux ont marqué une grande avancée dans notre compréhension des particules qui constituent la matière et leurs interactions. La découverte d'un boson de Higgs marque l'aboutissement de dizaines d'années de recherche dont la voie a été ouverte dans les années 60 par MM Brout, aujourd'hui décédé, Englert et Higgs.

 

Le LPSC a activement contribué à la découverte du boson de Higgs au sein de la collaboration ATLAS. Les équipes du laboratoire ont en effet joué un rôle très important dès le début de cette aventure scientifique, en participant en particulier à la conception, à la construction et à la mise en service du détecteur ATLAS. Elles ont travaillé au suivi de ce détecteur ainsi qu'au traitement et à l'analyse des données du LHC qui ont permis la mise en évidence de cette nouvelle particule. Elles préparent aujourd’hui la nouvelle phase de prise de données qui amènera peut-être d’autres découvertes.

 

Pour en savoir plus, voir le site LHC-France


4 juillet 2012 : ATLAS et CMS, deux expériences du LHC, observent une nouvelle particule : un boson de Higgs

cand-higgs-2012-2

Comment en savoir plus ?

Via le LPSC :

Nous intervenons de différentes façons pour faire partager au grand public cette belle aventure scientifique, technologique et humaine:

  • Vous pouvez nous rencontrer lors de la fête de la science et lors des portes ouvertes du laboratoire.
  • Des conférences peuvent vous être proposés dans les écoles (collèges, lycées ...).
  • Les Master Classes permettent à des lycéens de vivrent la recherche de l'intérieur en leur permettant d'endosser le rôle d'un(e) physicien(ne) le temps d'une journée.
  • La Nuit des 2 Infinis : soirée festive autour de la recherche sur l'infiniment grand et l'infiniment petit associant des conférences pour le grand public et des spectacles.
  • L'exposition LHC est proposée aux lycées, associations et collectivités locales dans la région grenobloise et en France via les autres laboratoires de l'IN2P3.
  • Les sites ATLAS et ALICE du LPSC.

Sur la toile :

D'autres actions de communications sont répertoriées ici :

Pour nous contacter :

Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

 

Les serveurs du noeud de grille du LPSC : IN2P3-LPSC

Le LPSC s'est doté au début de l'année 2008 d'un noeud de grille nommé IN2P3-LPSC pour répondre en particulier aux besoins de calcul des groupes LHC (ATLAS et ALICE) du laboratoire. IN2P3-LPSC est un noeud de la grille W-LCG (WorldWide LHC Grid Computing) de type Tier 2 et est membre du projet LCG-France qui gère l'infrastructure Française. 

Description

La description technique du noeud de grille du LPSC et son utilisation se trouve ici.

En pratique...

Les informations pratiques pour l'utilsation du noeud de grille du LPSC se trouvent sur cette page wiki.

Quelques liens utiles pour surveiller le site :

resonancettbar

 

 

Contexte

Avec la découverte d'un boson de Higgs en 2012, le modèle standard de la physique des particules est maintenant complet dans le sens où toutes les particules qu’il décrit ont été observées expérimentalement. Par ailleurs, leurs propriétés mesurées sont en accord avec celles calculées avec le modèle, dans la limite de la précision accessible.

Cependant, plusieurs arguments théoriques et expérimentaux indiquent que le Modèle Standard doit être étendu, modifié ou complété vers une théorie plus large qui permettrait de répondre aux questions actuellement ouvertes comme : Quelle est la nature de la matière noire qui représente 84 % de la matière de l’univers ? Comment décrire l’interaction gravitationnelle dans un schéma cohérent avec les trois autres interactions (électromagnétique, faible et forte). Plusieurs voies sont actuellement explorées par les théoriciens pour construire ces théories au delà du Modèle Standard. Bon nombre d’entre elles (supersymétrie, technicouleur, modèles avec des dimensions supplémentaires, etc) induisent la présence de particules massives dont la signature peut être recherchée expérimentalement.

 

Signature recherchée

Ces nouvelles particules massives peuvent laisser différentes signatures dans le détecteur ATLAS. Nous avons choisi de rechercher leurs traces lorsqu'elles se désintègrent en un état final composé d'une paire de quarks top (canal semi-leptonique). En effet, le quark top est la particule élémentaire la plus massive connue à ce jour et de par ses propriétés, elle tient une place toute particulière dans de nombreux modèles de nouvelle physique. Elle est abondamment produite au LHC et sa signature est suffisamment claire pour que les collisions contenant des quarks top soient bien identifiées avec le détecteur ATLAS. Le quark top est donc une sonde prometteuse pour mettre à jour des signes de nouvelle physique.

 

Analyse

L'analyse développée ici consiste donc à sélectionner des paires de quarks top de grande masse invariante parmi les collisions produites par le LHC. Cette sélection et la mesure de la masse invariante du système des deux quarks top nécessitent de bien identifier et mesurer les produits de désintégration des quarks top. Aux énergies accessibles par le LHC, la topologie des produits de ces collisions est particulière et inédite (topologie dite boostée ou les produits de désintégration sont très proches les uns des autres) et demande le développement d’outils particuliers qui seront utiles aux autres études mettant en jeu des phénomènes à grande énergie au LHC.

Une fois, le spectre en masse invariante de la paire de quarks top obtenu, on peut le comparer au spectre prédit par le modèle standard. Si les données sont en acccord avec celui-ci, comme cela a été le cas avec les premières données du LHC, alors on peut mettre des limites sur les masses et les sections efficace de production des particules massives de différentes théories. À l'inverse, un excès de paires de quarks top par rapport au modèle standard signerait la présence de nouvelle physique.

 

Développements effectués au LPSC

Reconstruction des top boostés

Le groupe du LPSC est particulièrement impliqué dans la reconstruction des quarks top en régime boosté. Lorsque un quark top boosté se désintègre dans la voie hadronique, il est reconstruit dans un jet large. Ce jet est identifié comme provenant d'un quark top grâce à l'étude de sa sous-structure. L'étude de la sous-structure des jets est la spécialité de Pierre-Antoine Delsart qui est responsable du groupe de travail correspondant dans ATLAS. L'utilisation des variables de sous-structure des jets a fait l'objet d'une partie de la thèse de Benjamin Déchenaux. Lorsque le quark top boosté se désintègre de façon leptonique alors le lepton issu du boson W est proche du quark b voir à l'intérieur du jet de B. Clément Camincher a développé pendant sa thèse une méthode nouvelle pour reconstruire les électrons lorsqu'ils sont à l'intérieur d'un jet.

Interprétation dans des modèles de matière noire

Le deuxième axe de travail concerne l'interprétation des résultats de l'analyse dans le cadre de modèles de matière noire. Les modèles de matière noire utilisés au run 1 du LHC étaient principalement des modèles effectifs. Les états finaux recherchés étaient alors des mono-objets (mono-photon - qui est une autre thématiques du groupe du LPSC -, mono-jet, monoZ, ...), considérant que la collision de partons produit deux particules de matière noire indétectable et que seul une particule issue de la radiation d'un parton initial est détecté. Pour élargir ce type de recherche, des modèles plus complets sont pris en compte. Ils font intervenir une particule médiateur entre les deux partons qui collisionnent et la production des particules de matière noire. Les analyses mono-objet restent intéressantes dans ce cas mais elle peuvent être complétée par les analyses qui sont sensibles aux autres désintégrations du médiateur (en leptons ou quarks). Le médiateur peut se désintégrer en deux quarks top et notre analyse peut donc apporter des contraintes à ce type de modèle.

 

Résultats

Résultats de l'analyse des données à 13 TeV avec 36 fb-1 - run2 : données 2015-2016 - Eur. Phys. J. C 78 (2018) 565

mtt resolved e bcat3 fig 13e mtt resolved mu bcat3 fig 13f
mtt resolved e bcat3 fig 13e mtt resolved mu bcat3 fig 13f
limZpTC2 fig 14 limKKg fig 11b lim GKK fig 16

 

 Interprétation pour la recherche de matière noire, résultats 2019 - run2 : données 2015-2016 - ATLAS PAPER EXOT-2017-32


EXOT 2017 32 DMsummarypaper exclusion vector fig 11a EXOT 2017 32 DMsummarypaper exclusion axialvector fig 12a
EXOT 2017 32 DMsummarypaper exclusion coupling fig 10 EXOT 2017 32 DMsummarypaper comparisondirectdetspindependent fig 13a

 

Publications

 

Membres

Membres actuels

  • Sabine Crépé-Renaudin (responsable du groupe d'analyse)
  • Pierre-Antoine Delsart (expert sous-structure des jets)

Anciens membres du groupe d'analyse

  • Clément Camincher (2014-2017) : thèse
  • Benjamin Decheneaux (2010-2013) : thèse


Précédents résultats

Résultats de l'analyse préliminaire des données à 13 TeV avec 3,2 fb-1

Le run 2 du LHC a débuté en 2015 et les premières données ont été analysées rapidement. Ce premier résultat, obtenu avec 3,2 fb-1 de données a été publié pour la conférence de Moriond 2016. La distribution de la masse invariante des deux quarks top est en accord avec la modélisation obtenu à partir du modèle standard. Une limite est posée sur un boson Z' leptophobique issu d'in modèle de Topcouleur : un tel boson produisant une résonance étroite (largeur égale à 1,2% de sa masse) est exclu à 95 % de niveau de confiance si sa masse est comprise entre 0,7 et 2 TeV. 

masseinvttbar el 13TeVMorion2016 masseinvttbar mu 13TeVMorion2016

 

limZp 13TeVMoriond2016

Résultats de l'analyse des données à 8 TeV

Comme illustré sur la figure ci-dessous, aucun excès de paires de quarks top n'a été mis en évidence. Des limites sont donc posées sur différents modèles théoriques (Z' leptophobique et gluon de Kaluza-Klein par exemple) : voir figures ci-dessous.

mttbarallchannelafternuisance fig 10c

limZp fig 11a

limKKg fig 11b

Dans les collisions hadroniques, le Modèle Standard de la physique des particules prévoit, en plus de la production dominante par interaction forte de paires de quarks top, la production de quarks top célibataires par l'intermédiaire de trois processus électrofaibles. Ces trois modes de production résultent en des états finals et des topologies d'événements distincts, lesquels sont accompagnés d'événements de bruit de fond d'origines différentes.

Les études menées par le groupe du LPSC sur la production de quarks top célibataires dans les collisions proton-proton (run-1 du LHC) sont les suivantes:

  • Mesures de précision pour la production en voie-t (section efficace et polarisation) et pour la production associée W+t (observation et section efficace).
  • Recherche de la production en voie-s ; ce canal est le plus délicat car sa section efficace est de loin la plus faible.
  • Recherche de modes de production au-delà du Modèle Standard en particulier via la recherche de couplages anormaux du quark top (vertex Wtb) ; cette recherche s'effectue grâce à des mesures de précision sur des observables liées à la polarisation des quarks top produits et des bosons W de décroissance.
  • Etudes prospectives sur la production d'un boson de Higgs chargé en association avec un quark top.

Membres actuels

  • Annick Lleres, DR-CNRS (2008)

Anciens membres

  • Carolina Gabaldon, Post-doc Labex Enigmass (2013-2016)
  • Reinhard Schwienhorst, Visiteur Labex Enigmass (2014-2015)
  • Arnaud Lucotte, DR-CNRS (2006-2014)
  • Benoit Clément, MCF-UJF (2007-2012)
  • Julien Donini, CDD-IN2P3 (2007-2011)

Thèses

  • Single top s-channel cross section measurement with the ATLAS detector, Caterina Monini, Université de Grenoble, 12 septembre 2014 (direction Annick Lleres/Arnaud Lucotte), CERN-THESIS-2014-189
  • Top polarization measurement in single top quark production with the ATLAS detector, Xiaohu Sun, Université de Grenoble, 1 octobre 2013 (direction Annick Lleres), tel-00873541
  • Mesure de la section efficace de production single top W+t dans le canal dilepton auprès de l'expérience ATLAS, Thomas Delemontex, Université de Grenoble, 5 octobre 2012 (direction Arnaud Lucotte), tel-00793216
  • Mesure de la section efficace de production du single top en voie-t en utilisant des arbres de décision avec ATLAS à sqrt(s)=7 TeV, Jin Wang, Université Joseph Fourier Grenoble, 29 juin 2012 (direction Julien Donini/Annick Lleres/Cunfeng Feng), tel-00716925
  • Recherche d'un boson de Higgs chargé avec le détecteur ATLAS: de la théorie à l'expérience, Carole Weydert, Université de Grenoble, 5 septembre 2011 (direction Benoit Clément/Michael Klasen), tel-00629349
  • Préparation de l'expérience ATLAS: étalonnage électronique du calorimètre électromagnétique, mesure de la polarisation des bosons W dans la décroissance des quarks top, Julien Labbé, Université Joseph Fourier de Grenoble, 1 juillet 2009 (direction Benoit Clément/Benjamin Trocmé), tel-00420986
  • Mesure de la section efficace de production de quarks top en paires dans le canal lepton+jets à D0 et à ATLAS et interprétation en terme de bosons de Higgs chargé dans ATLAS, Florent Chevallier, Université Joseph Fourier de Grenoble, 10 mai 2007 (direction Arnaud Lucotte/Sabine Crépé), tel-00181009

Habilitations à Diriger des Recherches

  • Ajustements bayésiens, application à la physique du quark top au LHC, Benoit Clément, Université de Grenoble, 22 juin 2012, tel-00713314
  • Le Modèle Standard et la recherche de nouveaux phénomènes au Tevatron et au LHC, Julien Donini, Université de Grenoble, 13 décembre 2010

Publications

  • Evidence for the associated production of a W boson and a top quark in ATLAS at sqrt(s)=7 TeV, Phys. Lett. B 716 (2012) 142
  • Measurement of the t-channel single top-quark production cross section in pp collisions at sqrt(s)=7 TeV with the ATLAS detector, Phys. Lett. B 717 (2012) 330
  • Search for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at sqrt(s)=8 TeV with the ATLAS detector, Phys. Lett. B 740 (2015) 118
  • Measurement of the production cross-section of a single top quark in association with a W boson at 8 TeV with the ATLAS experiment, JHEP01 (2016) 064
  • Probing the Wtb vertex structure with t-channel single top-quark events in pp collisions at sqrt(s)=8 TeV with the ATLAS detector, JHEP04 (2017) 124

Responsabilités

  • Edition des publications: voie-t (Julien Donini), W+t (Arnaud Lucotte, Carolina Gabaldon, Reinhard Schwienhorst), voie-s (Annick Lleres), polarisation (Annick Lleres)
  • Coordination des analyses single top ATLAS: Arnaud Lucotte (2008-2010), Julien Donini (2010-2011)
  • Coordination des softwares d'analyse single top et top ATLAS: Annick Lleres (2010-2011)
  • Coordination des releases d'analyse des groupes de physique ATLAS: Annick Lleres (2010-2012)

Sous-catégories