Physique des particules

Le Groupe Physique des particules du CPHT

Coordinateur : Urko Reinosa

  • Membres permanents

Renaud Boussarie
Cédric Lorcé
Cyrille Marquet

  • Doctorants

Victor Tomas Mari Surkau
Hoyeon Won

  • Post-docs

Yu Shi

  • Chercheur émérite

Bernard Pire

 

Activité de recherche

Le LHC du Cern, qui depuis 2008 accumule les données sur les collisions de protons à très haute énergie dans le but principal de découvrir une physique nouvelle au-delà du modèle standard, ouvre des perspectives prometteuses dans l’étude des jets de particules ; l’analyse fine de leurs structures devrait élucider les processus d'hadronisation par lesquels les quarks et les gluons abondamment produits se transforment dans les différents types de baryons et de mésons. Il pourrait aussi éclairer une intéressante propriété – appelée saturation des gluons – récemment découverte de la chromodynamique quantique : à très haute énergie, les interactions fortes deviennent sensibles à des densités élevées de gluons portant chacun une faible fraction de l’énergie des protons incidents. Ce régime ouvre un nouveau domaine de la chromodynamique où il importe de tenir compte d’effets non-linéaires qui étaient jusqu’alors négligeables. Ces phénomènes non linéaires devraient être particulièrement importants lors des collisions d’ions lourds au LHC. Ils pourraient influencer de façon notable les processus de formation du plasma de quarks et de gluons, dont les propriétés continueront d’être scrutées avec attention.
 

A plus basse énergie, mais avec des intensités de faisceau bien plus élevées permettant l’accès à des réactions rares, l’accélérateur à électrons du laboratoire national Thomas Jefferson (JLab) en Virginie permet depuis 1995, mais surtout après sa modernisation en 2014, d’atteindre une résolution record dans la « tomographie» du proton et des noyaux légers. Les données qu’il accumulera dans la décennie 2020-2030 pourraient s’avérer décisives dans la compréhension du confinement des quarks et des gluons dans les nucléons. Afin d’amplifier ce programme, les physiciens américains projettent la construction d’un collisionneur électron-noyau (EIC) qui entrerait en fonctionnement dans les années 2030 sur le site du laboratoire national de Brookhaven, près de New-York.

L'équipe de physique des particules du CPHT travaille activement sur l'ensemble des thématiques citées ci-dessus. Pendant la période 2018-2023, des progrès majeurs ont été réalisés autour de la tomographie des hadrons avec, notamment sous l'impulsion de notre équipe, la proposition de nouvelles expériences permettant d'extraire et d'étudier certaines généralisations des distributions de partons (TDAs). D'importants progrès sont aussi à souligner autour du calcul du tenseur énergie-impulsion qui synthétise un grand nombre de propriétés des hadrons, telle la masse, le spin ou les contraintes mécaniques. Enfin, l'équipe s'intéresse à la construction d'observables rares permettant de mesurer des quantités jusqu'ici expérimentalement peu connues voire inconnues, et descriptibles par des outils de QCD perturbative. Dans ce cadre, elle étudie par exemple les processus impliquant des distributions de Wigner, porteuses de 5 dimensions d'information de position et d'impulsion, le tout combiné aux effets de spin. Contraindre de telles distributions multidimensionnelles est l'un des 4 enjeux majeurs officiels du futur EIC.

Dans le domaine de haute énergie, l'équipe se penche sur la précision en physique de la saturation : corrections de boucles, contrôle de la limite colinéaire, et distinction précise des différentes conséquences de la saturation gluonique sur les observables. Un résultat notable a été celui de l'inclusion dans le formalisme, des concepts de distributions de partons dépendantes de l’impulsion transverse et leur généralisation. Grâce à ce travail, il sera possible à l'avenir, d’affranchir les nombreuses applications phénoménologiques d’éléments de modélisation et de paramètres libres ad hoc. Enfin, le dialogue fructueux entre le domaine de très haute énergie de la QCD et la théorie des processus de branchement a également été poursuivi avec la découverte d'une correspondance entre la section efficace diffractive électron-ion et la statistique d'observables de généalogies dans les processus de branchement. Ces recherches à l'interface entre physique des particules et processus aléatoires ont eu un retentissement certain parmi les mathématiciens, avec le postulat d'une conjecture sur la loi de probabilité de la densité de particules dans des réalisations du mouvement brownien branchant (MBB) conditionnées telles que la particule extrême se trouve très au-delà de sa position typique, une observable qui présente un intérêt particulier pour la compréhension mathématique de ce processus stochastique.

Notre équipe a également contribué à l'étude des propriétés thermodynamiques du plasma de quarks et de gluons en développant une nouvelle approche combinant la puissance des méthodes fonctionnelles en théorie des champs à certains résultats de la QCD sur réseau. Nous avons pu reproduire avec succès la structure de phase du secteur gluonique de la QCD. Deux retombées inattendues de notre travail ont été l'identification de fixations de jauge nouvelles particulièrement adaptées à l'étude de la transition de déconfinement, et la résolution d'une controverse autour de la possibilité ou non d'utiliser les fonctions de corrélation en jauge de Landau comme paramètres d'ordre de cette transition. Les applications au cas de la QCD ne sont qu'à leurs balbutiements mais les premiers résultats sont déjà très encourageants, avec la description correcte de la brisure spontanée de la symétrie chirale et du mécanisme de génération dynamique de masse associé, ainsi qu'un premier calcul ab-initio de la constante de désintégration du pion.

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