transparents

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
=
-
A3(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 BK*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(Bsμ+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
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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
Lnvide , avec nvide 
1 aB 
24
2

4.10
(
B
[
T
]
)
[Bc=4.4 109 T]
 
30 p  Bc 
50 ans du LAL, 8 juin 2006
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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
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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
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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

Lnvide , avec nvide
4 aI 

 
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
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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 ?
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