Rapport de la prospective des groupes physique des saveurs et physique de précision F. Machefert , P. Roudeau, M.-H. Schune, A. Stocchi, I. Videau S. Dagoret-Campagne, J. Haissinski, M. Jacquet, M. Urban, A. Variola, F. Zomer Marie-Hélène Schune Préambule Anti-hydrogène (tests de CPT, anti-gravité) Physique des saveurs : violation de CP Biréfringence du vide (tests de QED, violation de CP par l’interaction forte) 50 ans du LAL, 8 juin 2006 La liste des sujets abordés par les 2 groupes de prospective n’est pas exhaustive 1 Préambule Les symétries sur lesquelles reposent les théories de physique des particules : C P Conjugaison de charge : Renversement du temps : Parité : Change r en r : ~ réflexion dans un miroir passer le film à l’envers… particule ↔ anti-particule t z r y x T P ↔ z r ey x ↔ Te+ ↔ 50 ans du LAL, 8 juin 2006 P ↔ -t 2 État des lieux 1957 : découverte de la violation maximale de P dans les interactions faibles (C.S. Wu et al : désintégration b du Co60) pas de violation de P 1990 : découverte de la violation de T dans le secteur des K (CPLear) : ~ 7 10-3 50 ans du LAL, 8 juin 2006 3 Tests de CPT avec l’anti-hydrogène Test de CPT mais aussi de la force de gravitation pour l’anti-matière Violation de CPT : masse particule masse anti-particule durée de vie particule durée de vie anti-particule niveaux atomiques de l’anti-hydrogène de l’hydrogène Actuellement : Production et décélération d’anti-protons et de positrons (MeV) Mélange dans un piège et refroidissement Production d’anti-hydrogène 8 e+ ~ 10 4 Détection des produits d’annihilation : ~10 p ATHENA Futur (2010 ?) : Piégeage des atomes d’anti-hydrogène Refroidissement Spectroscopie laser des atomes 50 ans du LAL, 8 juin 2006 4 Peu (pas) de modèles Tests à faire dans différentes configurations (et donc canaux) Conservation de CPT Mais aussi : pomme anti-pomme CPT anti-pomme Tests du principe d’équivalence (l’accélération gravitationnelle d’un objet ne dépend pas de sa composition) Hydrogène et anti-hydrogène tombent-ils dans la même direction ? De la même manière ?? Terre 50 ans du LAL, 8 juin 2006 anti-Terre Terre 5 C, P, T et le Big-Bang « Juste après » le Big-Bang, on pense que matière et anti-matière sont présentes en quantités égales Quand la température baisse matière et anti-matière s’annihilent Dans notre environnement il n’y a pratiquement que de la matière ? Sakharov (1967) : disparition possible de l’anti-matière Violation du nombre baryonique B Violation de C et CP Non équilibre thermique 50 ans du LAL, 8 juin 2006 Baryon B=+1 Anti-baryon B=-1 Méson B=0 6 CP ? 1964 : découverte de la violation de CP avec un signal de KL p p (intensité de ~ 2 10-3) signal Puis NA31, NA48 (secteur des K) et BaBar (secteur des B) N(K-p+) N(K+p-) signal Asymetrie (13.3 3.1)% À venir : LHCb …. et puis une superB ? Le taux de violation de CP dans le Modèle Standard est 1010 fois trop faible pour expliquer l’asymétrie matière/anti-matière dans l’univers … 50 ans du LAL, 8 juin 2006 7 Violation de CP dans le Modèle Standard Les états propres de masse ne sont pas les états propres de l’interaction faible existence d’une matrice de mélange, la matrice de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa États propres de l’interaction faible Matrice CKM États propres de masse Amplitude de transition entre quark i et j : Vij W b u Vub W b u V*ub Matrices de mélange différentes pour les quarks et les anti-quarks violation de CP 50 ans du LAL, 8 juin 2006 8 La matrice CKM, le triangle d’unitarité 3 familles + unitarité de la matrice CKM 4 paramètres (dont une phase, responsable de la violation de CP) VCKM = Vud Vus Vub Vcd Vcs Vcb Vtd Vts Vtb 1-2 = - A3(1- r-ih) A 3(r-ih) 1- 2/2 A 2 -A 2 1 + O(4) triangle d’unitarité h Im * Vub Vcb ButMS : test labonne cohérence h du MS avec Le est de une description des différents phénomènes phénomènes observés et en a Arg(V )= b particuliertd de la violation de CP dans Arg(Vub)=de - gCP lesViolation secteurs du K et du B. dans les K (1964) et dans les B (2001) g … mais avec quelle précision ? Comparaisons des mesures 0 des r 50 ans du LAL, 8 juin 2006 côtés et des angles Vtd Vcb b 1 Re r9 Au-delà du MS, de la Nouvelle Physique ? On utilise la physique des saveurs, en particulier les processus rares dans le MS, comme sonde de la présence de Nouvelle Physique On est sensible à la présence de particules virtuelles lourdes dans les diagrammes en boucles ou en boites. Oscillations du B Modèle Standard Exemple de Nouvelle Physique W t B t ? + B B B W NP B 2 SM B 2 Q Q r bq eff r Vtb*Vtq MW r limite supérieure de la contribution relative de NP couplage de la NP bq eff échelle de la NP (masse des nouvelles particules) Mesure de précision (r petit) test du couplage (bq) ou de l’échelle (eff) 50 ans du LAL, 8 juin 2006 10 Deux types de solutions possibles : eff très élevée > 10-100 TeV difficile d’apprendre quoique ce soit à partir des désintégrations rares et très grande difficulté à trouver des signes de NP au LHC…. eff ~ 1TeV + mélange des saveurs protégé par des symétries supplémentaires (par ex MFV) beaucoup à apprendre de la physique des saveurs maintenant et dans le futur lorsque la NP sera découverte. Cette solution est celle qui coïncide avec la « naturalité » pour la masse du Higgs Complémentarité LHC (ATLAS/CMS)/mesures de précision (exemple) r = 20% eff ~ 180 GeV bq ~ Vtq r = 10% eff ~ 250 GeV eff ~ 0.08/r TeV r = 1% eff ~ 800 GeV 50 ans du LAL, 8 juin 2006 Si les couplages ne sont pas encore plus faibles… Si eff~250GeV mesurable 11 Où en est-on aujourd’hui ? Ajustement plus général : Processus à l’arbre (sans NP) Détermination des paramètres du MS secteur du Bd NP dans le mélange AMSe2if MS AMSe2if MS + ANPe2if NP secteur du Bs MS Deux possibilités : • La NP est faible avec une phase arbitraire • La NP est plus importante mais avec la même phase que le MS (MFV) 50 ans du LAL, 8 juin 2006 MS Pas de contraintes sur la phase de NP 12 L‘incertitude sur ANP/ASM dominée par la connaissance des paramètres hadroniques. Besoin : désintégrations rares des B/K (Bs and BK*ℓℓ) Théorie (Lattice QCD) Indication de MFV ? b s b d Depuis peu : ms mesuré Aujourd’hui ANP/ASM<20% Besoin : améliorer la précision Besoin : mesure de j(Bs) transitions F=1 LHCb - SuperB LHCb - SuperB Théorie (Lattice QCD) 50 ans du LAL, 8 juin 2006 13 LHCb (2007-) Collisionneur LHC Acceptance : ~ 10 to 300 mrad Production très à l’avant étiquetage de la saveur du B p Bs J/ψ Φ Mesure de –arg(Vts) ~ -0.04 dans le MS sensible à la NP : quelques ° après 1 an p BR(Bsμ+μ-)x109 Bs ~17 evts par an pour le BR du MS bruit de fond difficile à estimer : pas d’evts sélectionnés sur le MC S/B >2 MFV (95%) MS (95%) <7.42 [1.91,5.91] Mesure de g et a : s(g) ~5-6° et s(a) ~15° après 1 an 50 ans du LAL, 8 juin 2006 14 Une super usine à B ? Projet en cours en Europe (inspiré par l’INFN) en collaboration avec SLAC pour proposer une « super usine à B » en synergie technique avec l’ILC (dumping rings/ focalisation finale) Le but : 50 ab-1 d’ici 2015 Projet japonais bien avancé : 40 ab-1 d’ici 2020 Actuellement (BaBar + BELLE) : 1 ab-1 Amélioration d’un facteur 3 à 5 par rapport à ce qui serait disponible en 2010 (usines à B + LHCb) sur les tests de NP Si les cotés et les angles du triangle sont mesurés avec une précision de l’ordre du % Si les calculs des paramètres hadroniques atteignent également une précision ~ % (QCD sur réseau) r = 1% étude de la structure de la NP jusque vers eff ~ 800 GeV 50 ans du LAL, 8 juin 2006 15 La biréfringence du vide gréel + gvirtuel gréel+gvirtuel OU gréel+gréel gréel+gréel Propagation d’un laser dans le vide où règne un champ magnétique intense L Polarisation linéaire Polarisation elliptique Solution eq. Maxwell Les composantes du champ électrique E et à B sont déphasées de F: F 2p 2 Lnvide , avec nvide 1 aB 24 2 4.10 ( B [ T ] ) [Bc=4.4 109 T] 30 p Bc 50 ans du LAL, 8 juin 2006 16 Connexion avec l’interaction gg ? Dans le cadre du Modèle Standard : QED graphe de Feynman pour : gréel+gvirtuel gréel+gvirtuel diffusion cohérente gg : calcul de nvide Effets identiques pour gréel+gréel gréel+gréel ‘biréfringence du vide observable dans l’interaction laser-laser Au delà du Modèle Standard : axions [violation de CP dans QCD] Boson pseudo-scalaire candidat pour la matière noire Contraintes accélérateurs/astrophysiques : ma 0.02eV & couplage gag 10-10 GeV-1 Production réelle Production virtuelle (même effet que la biréfringence du vide) dichroïsme ellipticité 50 ans du LAL, 8 juin 2006 17 Situation actuelle et futur Expérience PVLAS : pas de résultat sur l’ellipticité nvide … mesure d’un dichroïsme axion ? signal persistant malgré 4 années d’études systématiques incompatible avec les mesures directes d’axions provenant du soleil Des expériences similaires sont en cours pour confirmer/infirmer l’existence de cet axion Futures expériences : CERN, DESY : toujours avec des champs magnétiques Mesure de nvide avec 2 lasers pulsés et 2 cavités Fabry-Perot Laser puissant qui ‘polarise le vide’ 20W, Mesure: •Ellipticité •Dichroïsme t=200fs frep=50MHz Laser de mesure (moins puissant) 5mW, t=200fs L= 3m Valeurs : un exemple 50 ans du LAL, 8 juin 2006 18 Mesure de nvide avec 2 lasers et 2 cavités Avantages Pas de champ magnétique ! Le signal apparaît à la fréquence des pulses 100MHz (<1Hz avec un champ B) réduction des bruits Inconvénients : la puissance du laser qui polarise le vide ! F 2p Lnvide , avec nvide 4 aI 30 p Ic 2 Finesse cavité Durée mesure nvide 104 2.6 ans 105 2.5h Ic = intensité critique = 4.6 1029 W/cm2 faisceau laser de forte puissance fortement focalisé dans la cavité <P>=2MW problèmes dans les revêtements des miroirs, P/pulse=200GW effets non linéaires … 50 ans du LAL, 8 juin 2006 19 Conclusion La physique des saveurs est rentrée dans l’ère de la précision Le Modèle Standard dans le secteur fermionique est toujours debout : Tests quantitatifs à <20% dans le secteur du Bd, et on commence à tester le secteur du Bs scénario favorisé pour de la Nouvelle Physique : un couplage ~VCKM, pas de nouvelle phase violant CP Si un signal de Nouvelle Physique est observé au LHC (ATLAS/CMS) : LHCb et les super usines à B pourront étudier la structure de cette NP jusqu’à l’échelle du TeV … Si les calculs de QCD sur réseaux atteignent une précision de l‘ordre du % Existence au LAL d’un savoir-faire avec les cavités Fabry Pérot (études pour une «source d’e+ polarisés pour l’ILC», VIRGO …) Participation aux futures expériences avec des atomes d’anti-hydrogène ? (tests de CPT, du principe d’équivalence …), refroidissement, spectroscopie à plusieurs photons Mesure de la biréfringence du vide avec une technique laser-laser Confrontation avec la mesure de PVLAS, limite ou découverte d’un axion ? 50 ans du LAL, 8 juin 2006 20