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Le collisionneur linéaire en général
Évolution de l’énergie frontière de la Physique des particules
Le SM aide à mieux comprendre la façon dont les douze particules fondamentales, qui constituent l’Univers, interagissent sous la gouvernance des quatre forces fondamentales. L’unification de ces quatre forces qui sont la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle s’avère comme un objectif ultime des physiciens du XXI-ième siècle. Malgré les deux unifications : l’unification «électrofaible »qui unifie la force faible avec la force électromagnétique, et la «grande unification »qui unifie la force forte avec celles qui sont déjà unifiées, la force gravitationnelle qui ne fait pas partie du SM reste encore un obstacle pour les physiciens pour pouvoir unifier toutes les forces. La meilleure façon de faire cette unification est d’augmenter l’énergie. Par exemple, l’unification électrofaible a été faite à une échelle d’énergie TeV et les autres unifications se feront à une énergie encore plus élevée .
A partir des années 70 jusqu’ à présent, une vingtaine de complexes d’accélérateurs ont été construits partout dans le monde, que ce soit un collisionneur à lepton ou un collisionneur à hadron, avec une énergie de centre de masse allant de quelques GeV jusqu’à 13 TeV [4]. A chaque fois, quand on monte le niveau d’énergie dans l’accélérateur, une nouvelle particule apparaît.
Pour les collisionneurs du XXI-ième siècle, le LHC se présente comme le plus performant en terme de recherche des nouvelles particules pour une énergie élevée. En effet, le LHC est maintenant opérationnel, pas loin de son énergie limite (14 TeV) et permet d’explorer plusieurs domaines d’études en Physique des Particules tels que :
La recherche de Higgs : Le 4 Juillet 2012, lors d’une séminaire au CERN, deux collaborations issues du LHC ont fait une mise à jour de leur statut de recherche du boson de Higgs. Ainsi, l’expérience CMS [5] et l’expérience ATLAS [6] ont toutes les deux annoncé en même temps la découverte d’un nouveau boson très similaire au boson de Higgs. Sa masse est autour de mH = 125 GeV avec un degré de signification statistique 5, 8 ± 1, 0σ pour CMS et mH = 126 GeV avec 5, 1σ pour ATLAS.
En effet, selon le SM, le photon n’a pas de masse alors que les masses des autres particules porteuses de la force électromagnétique, telles que les bosons de jauge W± et Z0 sont générés par le mécanisme de brisure de symétrie. Ce mécanisme introduit un champ scalaire complexe qui conduit à prédire l’existence d’une particule scalaire qui n’est autre que le boson de Higgs.
L’étude de la violation CP et des désintégrations rares : L’expérience Large Hadron Collider Beauty (LHCb) auprès du LHC permet la réalisation de nombreuse études sur l’asymétrie matière-antimatière à travers la violation CP (Charge Parité) dans des désintégrations des particules «belle»(mésons comportant un quark beauté). Elle est dotée particulièrement d’un dispositif très performant pour l’étude de cette asymétrie ainsi que pour la découverte des nouvelles particules à travers des désintégration rares.
L’étude des ion lourds, Plasma quarks et de gluons : le LHC à travers ses trois expériences ALICE, ATLAS et CMS [10], a déjà commencé à reproduire les conditions qui existaient dans l’Univers juste après le Big Bang grâce à la collision des ions lourds pour libérer les quarks. En effet, durant quelques millionièmes de seconde, juste après le Big Bang, l’Univers s’est rempli d’une soupe extrêmement dense et chaude, composée principalement de quarks et de gluons, porteurs de la force forte. Dans les tous premiers instants qui sont suivi le Big Bang, à très haute température, les quarks pouvaient se déplacer librement dans ce que l’on appelle le plasma de quarks et de gluons.
Pour recréer des conditions similaires à celles de l’Univers primordial, l’accélérateur comme LHC fait entrer frontalement en collision des ions massifs, par exemple des noyaux d’or ou de plomb. Dans ces collisions d’ions lourds, les centaines de protons et de neutrons présents dans les noyaux en collision se percutent à des énergies très élevées. Une minuscule boule de feu se forme alors, dans laquelle tout fond pour former un plasma de quarks et de gluons. Grâce à son énergie plus élevée, LHC a donné des résultats plus prometteurs que ceux des expériences auprès du Collisionneur d’Ions Lourds Relativistes (Relativistic Heavy Ion Collider -RHIC)[11].
Recherche en SUSY et matière noire : CMS a activement contribué à l’étude de la nouvelle super-symétrie SUSY qui est un des principaux candidats pour décrire la physique au delà du SM. Ce SUSY propose l’existence d’un partenaire pour chaque particule connue dans SM . Il pourrait aider à expliquer la nature de la matière noire. Étant donné que le boson de Higgs est trouvé, un autre problème surgit encore. La masse de Higgs et sa divergence ne sont pas stables lorsque la divergence quantique est considérée [12]. La solution est d’introduire le SUSY qui unifie les bosons et les fermions.
Toutefois, les collisionneurs à hadron sont connus pour être très efficaces pour les mesures dans la phase exploratoire et pour la possibilité de découvrir une nouvelle physique tandis que les collisionneurs à lepton sont bien plus adaptés à la mesure précise des propriétés des particules une fois trouvées.
Les atouts du collisionneur linéaire
Depuis la mise en fonction du Collisionneur Linéaire à Stanford (SLC) [13] en 1989, la potentialité physique du collisionneur linéaire a été intensivement étudiée. Parmi les résultats les plus attendus sont les propriétés du boson de Higgs du SM avec une grande précision, les possibilités de faire largement avancer les études en SUSY et les autres théories alternatives.
Actuellement, le LHC tient le record quant à la dimension de son accélérateur circulaire. Si, on compare le collisionneur linéaire avec LHC, son avantage repose sur le fait d’avoir des événements physiques propres, c’est-à-dire avec moins de bruit de fond. Ceci vient du fait qu’avec le collisionneur linéaire, très souvent à leptons, les deux particules élémentaires initiales dont on connaît bien leurs propriétés vont donner des états finaux aussi bien connus. Parmi les avantages du collisionneur linéaire à leptons, on peut en citer six [14] [15] :
— Environnement expérimental simple et propre.
— Particules chargées produites démocratiquement avec une section efficace similaire.
— Processus de bruit de fond bien calculés et mesurés.
— Possibilité de faire un balayage systématique en énergie de centre de masse.
— Possibilité d’avoir un haut degré de polarisation pour les électrons et les positrons (limité à ILC).
— Mesures rigoureuses par étiquetage jet/saveur.
Par conséquent, les collisionneurs linéaires à leptons présentent une bonne performance en terme de précision de mesure par rapport aux collisionneurs circulaires à hadrons.
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Table des matières
Introduction
1 Le collisionneur linéaire en général
1.1 Évolution de l’énergie frontière de la Physique des particules
1.2 Le choix du collisionneur linéaire
1.2.1 Les avantages techniques
1.2.2 Les atouts du collisionneur linéaire
1.2.3 La physique dans le collisionneur linéaire e− e+
1.3 Les deux projets en cours : le CLIC et le ILC
1.3.1 Généralités
1.3.2 Les parties principales du collisionneur linéaire
1.3.3 Le projet CLIC
1.3.4 Le projet ILC
1.3.5 Les installations d’essais
2 Les paramètres du collisionneur linéaire
2.1 Les concepts de base du faisceau
2.1.1 La luminosité des collisions
2.1.2 Les fonctions betatron
2.2 Le système de focalisation finale
2.2.1 La taille du faisceau
2.2.2 La chromaticité
2.2.3 La correction de chromaticité
2.2.4 Le croisement en «crabe»
3 Les différents processus physiques à l’IP
3.1 Le rayonnement Synchrotron
3.2 Le beamstrahlung
3.3 Le rayonnement d’état initial et final
3.4 L’effet Pinch
3.5 L’effet disruption
3.6 L’effet hourglass
3.7 L’effet de paire cohérente et incohérente
3.8 La diffusion énergétique
3.9 Remarque
4 Les bruits de fond γγ → hadrons au CLIC
4.1 Introduction
4.2 Les propriétés hadroniques des photons
4.3 Les paramétrages de la section efficace totale
4.4 Le taux des événements hadroniques
4.5 Estimation de la précision de la section efficace du processus γγ → hadrons
4.6 Le bruit de fond hadronique en utilisant le logiciel PYTHIA
4.7 Quelques observations avec le logiciel SGV
4.8 Discussion
5 L’optimisation du paramètre du faisceau
Conclusion
