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Mercredi, 01 Mars 2017
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L’expérience LHCb

Introduction

La différence de comportement entre les particules et leurs antiparticules est une des questions les plus intrigantes et les plus fondamentales de la physique des particules contemporaine.Pourquoi notre Univers ne contient-il que de la matière, sans aucune présence d’antimatière ? Cette question est également liée au nombre de familles de quarks, à leur hiérarchie et à leur masse. Mais les mécanismes qui sont responsables de cette brisure de symétrie sont encore aujourd’hui mal compris.

En 1964, J.W. Cronin et V.L. Fitch ont observé pour la première fois une asymétrie particule-antiparticule dans le système des mésons K neutres. En 1980, cette découverte inattendue leur a valu le prix Nobel. En 1998, la collaboration CPLEAR a mis en évidence la violation de la symétrie T qui renverse le sens du temps. Ces deux symétries sont complémentaires car leur produit doit être conservé. En 2001, les expériences Belle, au Japon et BaBar aux Etats-Unis, ont observé pour la première fois une asymétrie particule-antiparticule dans un autre système : celui des mésons beaux Bd. En 2007, la collaboration CDF a mesuré la fréquence d’oscillation des mésons Bs. En 2013, LHCb a effectué la première mesure de la violation de CP dans le même système.

Aujourd’hui, l’ensemble de ces mesures clarifie la situation théorique. Le Modèle Standard de la physique des particules permet de rendre compte de la différence de comportement particules-antiparticules par la définition d’une matrice de mélange des quarks de différentes saveurs. Mais, cette formulation théorique laisse la porte ouverte à d’autres mécanismes qui pourraient trouver leurs origines dans les extensions du Modèle Standard comme les modèles supersymétriques.

L’expérience LHCb a pour but la mise en évidence de la physique au-delà du Modèle Standard par les mesures de précision de la violation CP et l’étude des désintégrations rares des hadrons beaux et des mésons charmés. LHCb est une expérience de précision qui recherche des déviations par rapport aux prévisions du Modèle Standard qui pourraient indiquer la présence de Nouvelle Physique.

LHCb est installée auprès du LHC, au CERN à Genève. Comme les quarks b sont préférentiellement émis avec un angle petit par rapport au faisceau, LHCb est constitué d’un spectromètre à un bras vers l’avant et de détecteurs planaires. Le détecteur complet pèse au total près de 5 600 tonnes.

La collaboration regroupe 1100 membres, issus de 68 laboratoires et universités de 16 pays.

Activités du CPPM

Le groupe LHCb du CPPM, qui compte environ 15 chercheurs et ingénieurs, joue un rôle de premier plan dans plusieurs secteurs de la physique de LHCb : le calcul distribué avec le projet DIRAC, les analyses de physique ainsi que le système de déclenchement avec la préparation de l’upgrade.

Projets techniques

Participation au computing de LHCb

Le groupe LHCb au CPPM joue un rôle important dans le computing de l’expérience. Depuis 2003 le CPPM assure la coordination du projet DIRAC qui forme la base du système de calcul distribué de LHCb. C’est grâce à ce système que les données du Run 1 ont été traitées et analysées avec succès. Le projet DIRAC est en développement continu afin d’augmenter la capacité du système pour les besoins des futures prises de données et de l’upgrade de LHCb où le volume de données enregistrées augmentera considérablement (voir Calcul Intensif).

Le CPPM participe à la gestion du projet de calcul de LHCb en représentant la France au Conseil National de Calcul (National Computing Board) de la collaboration. Il s’occupe de la planification des ressources de calcul de LHCb. Le CPPM coordonne également l’utilisation des ressources de calcul de LHCb en France en participant au travail de l’équipe de direction du projet LCG-France.

Analyses de physique

Nous avons contribué à deux des six mesures phares de LHCb : la mesure des rapports de branchement des désintégrations très rares B0s/d → μ+μ− et la mesure de la phase φs avec les désintégrations B0s → J/ψ φ. Le groupe est également fortement impliqué dans le système de déclenchement de bas niveau des muons, et ceci depuis le début de LHCb. Il s’est donc tout naturellement positionné dans l’upgrade du trigger en vue du l’après le deuxième long arrêt, LS2, arrêt du LHC prévu pour 2018-2019.

Mesure du rapport de branchement Bs→ µµ

La désintégration Bs/d→ µµ est un courant neutre qui change la saveur. Elle est donc très rare dans le Modèle Standard et se produit uniquement à travers des diagrammes en boucle, ce qui la rend très sensible à la présence de nouvelle physique. Le Modèle Standard prédit que seulement 3 Bs sur 1 milliard se désintègrent en deux muons, mais cette probabilité pourrait être beaucoup plus grande si de nouvelles particules entraient en jeu dans ce processus.

Cette désintégration a été recherchée depuis de nombreuses années par différentes expériences, notamment CDF et DØ au Tevatron, qui ont détenu les meilleures limites avant le démarrage du LHC. Ces limites étaient cependant plus d’un ordre de grandeur au-dessus de la prédiction du Modèle Standard.

LHCb a recherché la désintégration Bs→ µµ dès le démarrage du LHC, et a régulièrement mis à jour l’analyse au fur et à mesure de la prise de données, donnant lieu à cinq publications utilisant 37 pb-1, 0.35, 1, 2.1 et 3 fb-1. LHCb a obtenu la meilleure limite mondiale sur ce rapport d’embranchement avec 0.37 fb-1 et la première évidence à 3.5 écarts standards en novembre 2012 avec 2.1 fb-1. Le dernier résultat, basé sur les 3 fb-1 de données collectées au cours du Run 1, a été combiné avec le résultat de CMS, donnant lieu à la première observation de la désintégration Bs→ µµ,qui a récemment été publiée dans Nature.

Nous avons largement contribué aux cinq publications de LHCb, ayant joué un rôle majeur dans plusieurs étapes clé de l’analyse, en particulier pour la réjection du bruit de fond à l’aide de méthodes multivariées. Nous avons optimisé les variables entrant en jeu dans l’analyse multivariée, choisi le meilleur algorithme, un arbre de décision boosté, et optimisé ses paramètres. Nous avons également mené les études sur les efficacités du système de déclenchement, les acceptances temporelles, et calculé les limites sur le rapport de branchement. Grâce à ce travail, largement reconnu au sein de la collaboration, les membres du groupe ont eu l’occasion de présenter cette mesure dans plusieurs conférences internationales.

Le rapport de branchement de la désintégration Bs→ µµ mesuré est de (2.9+1.1-1.0) 10-9, ce qui est compatible avec la valeur du Modèle Standard, (3.56±0.30) 10-9. Ce résultat majeur permet de contraindre une large partie de l’espace de phase des modèles de nouvelle physique comme la supersymétrie. D’autre part, la désintégration du Bd en deux muons, dont le rapport d’embranchement prédit par le modèle standard est 30 fois plus faible que celui du Bs, n’a toujours pas été observée. LHCb a obtenu une limite supérieure sur ce rapport de branchement à 7.4 10-10 à 95% de niveau de confiance.

Notre groupe prépare déjà activement les outils d’analyse pour la recherche des transitions B(s)→tt, dont l’étude devient prometteuse avec la montée en énergie du LHC et l’upgrade de LHC.

Mesure de la phase φs dans les désintégrations Bs → J/ψ φ

Une autre méthode prometteuse pour mettre en évidence de la nouvelle physique consiste à mesurer la différence de phase φs apparaissant dans les désintégrations de mésons B0s → J/ψ φ. Cette phase est sensible à la nouvelle physique grâce aux diagrammes en boîte Bs Bbars qui, dans le Modèle Standard, font intervenir des quarks top et des bosons W. Le groupe du CPPM est fortement impliqué dans cette analyse depuis ses débuts. Nous avons assuré la coordination du groupe de physique « CP/betas and mixing », incluant la mesure clé de φs, de 2008 à 2011. Avant le début de la prise de données, nous avons développé et publié la feuille de route visant à effectuer la mesure le plus rapidement possible. Cette feuille de route décrivait en détail chacune des étapes nécessaires à la mesure, étapes auxquelles nous avons participé par la suite. Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur la sélection des candidats Bs. Cette expertise nous a permis de mettre en évidence le premier candidat "B" de LHCb seulement 14 jours après le début de la prise de données, en 2010.

Nous avons contribué à l’optimisation et à la calibration des algorithmes d’étiquetage de la saveur initiale des mésons Bs, une des étapes cruciales de l’analyse. Ce travail sur l’étiquetage s’est fait en utilisant les canaux de contrôle Bu → J/ψ K+ et Bd → J/ψ K* et en validant la procédure via l’étude de la violation de CP dans le canal Bd → J/ψ Ks. Dès l’été 2011, nous avons obtenu la meilleure mesure mondiale de φs qui est compatible avec le prédiction du Modèle Standard. Cependant, l’incertitude expérimentale est encore grande pour laisser de la place à de la nouvelle physique. Les mesures actuelles sont résumées sur la Fig. 2. La prédiction théorique de φs est entachée d’une incertitude liée à la contribution de diagrammes sous-dominants, dits pingouins. Négligée jusqu’à maintenant, cette contribution devient un sujet de préoccupation majeure au vu des précisions expérimentales obtenues et surtout à venir. Depuis 2012, nous cherchons à réduire l’incertitude due aux pingouins en mesurant les amplitudes de polarisation et la violation de CP directe dans le canal de contrôle Bs → J/ψ K*0.

Les étapes suivantes consistent à améliorer l’analyse, augmenter la taille de l’échantillon, et à affiner les prédictions théoriques.

Une autre méthode prometteuse pour mettre en évidence de la nouvelle physique consiste à mesurer la différence de phase φs apparaissant dans les désintégrations de mésons B0s → J/ψ φ . Cette phase est sensible à la nouvelle physique grâce aux diagrammes en boîte Bs Bbars qui, dans le Modèle standard, font intervenir des quarks top et des bosons W.

Le groupe du CPPM est fortement impliqué dans cette analyse depuis ses débuts. Nous avons assuré la coordination du groupe de physique CP/betas and mixing, incluant la mesure clé de φs, de 2008 à 2011. Avant le début de la prise de données, nous avons développé et publié la feuille de route visant à effectuer la mesure le plus rapidement possible. Cette feuille de route décrivait en détail chacune des étapes nécessaires à la mesure, étapes auxquelles nous avons participé par la suite.

Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur la sélection des candidats Bs. Cette expertise nous a permis de mettre en évidence le premier candidat "B" de LHCb seulement 14 jours après le début de la prise de données, en 2010.

Nous avons contribué à l’optimisation et à la calibration des algorithmes d’étiquetage de la saveur initiale des mésons Bs, une des étapes cruciales de l’analyse. Ce travail sur l’étiquetage s’est fait en utilisant les canaux de contrôle Bu → J/ψ K+ et Bd → J/ψ K* et en validant la procédure via l’étude de la violation de CP dans le canal Bd → J/ψ Ks.

Dès l’été 2011, nous avons obtenu la meilleure mesure mondiale de φs. Fin 2014, nous avons mis à jour cette mesure avec l’ensemble des données du run 1, soit 3fb-1. Si la valeur obtenue est compatible avec le modèle standard, l’incertitude expérimentale est encore grande pour laisser de la place à de la nouvelle physique. Les mesures actuelles sont résumées sur la Fig. 2.

La prédiction théorique de φs est entachée d’une incertitude liée à la contribution de diagrammes sous-dominants, dits pingouins. Négligée jusqu’à maintenant, cette contribution devient un sujet de préoccupation majeure au vu des précisions expérimentales obtenues et surtout à venir. Les étapes suivantes consistent à améliorer l’analyse, augmenter la taille de l’échantillon, et à affiner les prédictions théoriques. Depuis 2012, nous cherchons à réduire l’incertitude due aux pingouins en mesurant les amplitudes de polarisation et la violation de CP directe dans le canal de contrôle Bs → J/ψ K*0. Nous avons par ailleurs entrepris l’étude d’un canal pionnier pour la mesure de φs : Bs → ηc(4h)φ(KK).

Participation à la préparation de l’upgrade de LHCb

Les premiers résultats des expériences LHC ont déjà exclu qu’une physique au delà du Modèle Standard puisse avoir des effets importants aux énergies accessibles au LHC. Il faudra donc rechercher des effets très fins pour mettre en évidence une nouvelle physique.

Pour relever ce défi, LHCb procédera en 2018 à la mise à jour de son détecteur afin d’augmenter d’au moins un facteur cinq la luminosité instantanée des collisions proton-proton vue par l’expérience. En moins de 10 ans, l’expérience accumulera 50 fb-1 de collisions de protons contre 3 fb-1 de 2010 à la fin 2012. Pour les principales observables de ce domaine de physique, les précisions des mesures expérimentales du Run 1 seront améliorées d’au moins un ordre de grandeur et rivaliseront avec les incertitudes théoriques. Ainsi, le rapport de branchement du mode Bs->µµ sera mesuré avec une précision de 0.19 10-9, deux fois meilleure que l’incertitude sur la valeur prédite par le Modèle standard.

Le principal frein à une augmentation de la luminosité vient du système d’acquisition. Alors que la fréquence des croisements des faisceaux du LHC est de 40 MHz, la lecture de l’ensemble du détecteur est actuellement limitée à 1 MHz. La réduction du taux d’événements à un niveau acceptable est effectué par le système de déclenchement de niveau zéro, basé sur une électronique dédiée en partie conçue et réalisée au CPPM. A haute luminosité, ce système ne permettrait plus de sélectionner efficacement les modes de désintégration intéressants pour la recherche de nouvelle physique.

Pour maintenir une excellente efficacité de sélection, le détecteur sera lu à 40 MHz et les collisions seront triées par un système purement logiciel, déployé sur une ferme de processeurs. L’électronique de lecture des détecteurs sera adaptée à cette acquisition rapide et les sous-détecteurs les plus vulnérables seront redessinés et remplacés pour résister à une luminosité constante de 2 1033 cm-2s-1. L’ensemble sera installé et mis au point pendant l’arrêt du LHC prévu en 2018 et 2019.

Fort de son expertise dans le traitement d’importants flux de données, le CPPM joue un rôle majeur dans la conception du nouveau système d’acquisition. Le groupe étudie également l’implémentation d’un système de déclenchement de premier niveau qui, en contrôlant le taux d’événements envoyés à la ferme de calcul, permettrait de l’augmenter graduellement en puissance.

Contact : Giampiero Mancinelli

Page du groupe LHCb : http://www.cppm.in2p3.fr/lhcb

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