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Centre de Cosmologie, Physique des Particules et Phénoménologie

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à l'Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgique

Le Centre de Cosmologie, Physique des Particules et Phénoménologie (CP3) regroupe la recherche en physique des particules à haute énergie et la cosmologie tant dans le domaine théorique que dans les domaines expérimentaux et instrumentaux à l'UCL. L'idée de base est de favoriser la collaboration et renforcer les compétences dans la physique des interactions fondamentales et des particules élémentaires. Toutes ces activités s'inscrivent depuis six ans, dans un Pôle d’Attraction Interuniversitaire (PAI).

Au niveau théorique, les recherches s’appuient sur une longue tradition dans le domaine de la phénoménologie des particules élémentaires et des interactions fondamentales. Ces activités couvrent des thèmes centraux tels que la violation de l'invariance sous renversement du temps dans les interactions électrofaible et forte, ou la violation du principe d’équivalence dans les interactions gravitationnelles. Des aspects plus théoriques liés à ces quatre interactions fondamentales allant de l’étude de la dynamique non-perturbative des théories de jauge à la géométrie quantique, font également l’objet de recherches très actives. Plus récemment, deux nouvelles orientations de recherches très prometteuses ont été initiées.

D’une part, la cosmologie primordiale qui étudie l’univers durant ses premiers instants, typiquement lorsque la température dépasse encore le milliard de milliard de degrés. Il est alors nécessaire de recourir à la description quantique relativiste de la matière, celle-là même qui est explorée en physique des particules. Sur le plan théorique, la cosmologie primordiale repose donc sur la compréhension des interactions fondamentales à des énergies qui sont encore inaccessibles en laboratoire, et complète de ce fait les autres expertises présentes dans CP3. Les travaux portent sur divers sujets activement débattus à l’heure actuelle tels que la recherche des défauts topologiques du vide ou l’inflation cosmique dont les premiers effets ont été observés en 2000. Dans ce contexte de la « matière noire » et de l’ « énergie noire », une partie de nos travaux s’appuie sur les théories alternatives à la gravitation d’Einstein. Sur le plan observationnel, notre groupe est également impliqué dans les mesures du rayonnement fossile (CMB) et, en particulier, dans l’analyse des données du satellite PLANCK dont le lancement est imminent.

D’autre part, la brisure spontanée de l’invariance de jauge qui est à la base de l’unification des interactions électromagnétique et faible. Des arguments simples mais robustes nous indiquent que l’échelle associée à ce mécanisme doit être inférieure à 1 TeV, c’est-à-dire accessible aux collisionneurs actuels (Tevatron, Large Hadron Collider- LHC). La découverte du boson de Higgs ou de particules super-symétriques va cependant dépendre de notre capacité à calculer avec précision non seulement le signal attendu pour ces nouvelles particules élémentaires, mais aussi le bruit de fond associé aux processus standards. Ces signaux et ce bruit de fond peuvent être simulés à l’aide des nouveaux générateurs d’événements, qui sont actuellement développés aussi à Louvain-la-Neuve. Ces outils performants seront étendus dans les années à venir, en collaboration étroite avec les collègues expérimentateurs de CP3.

Au niveau expérimental, les efforts portent principalement sur la construction et l’utilisation du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) qui vient d’être installé au LHC, le collisionneur proton-proton du CERN. Les membres de CP3 ont contribué tant au développement de divers instruments et aux tests et à l’intégration de ceux-ci dans CMS, qu’aux études phénoménologiques des événements susceptibles d’être observés avec ce détecteur.

D’une part, des composants essentiels du trajectographe au silicium du détecteur CMS ont été réalisés et testés. Ceci a été possible grâce aux infrastructures techniques très performantes du département et du Centre de recherche du cyclotron (CRC) dont le redéploiement en plate-forme technologique a été entrepris à l’instigation de plusieurs jeunes chercheurs de CP3. Les travaux concernent aussi le développement de détecteurs « silicium » à très haute résolution spatiale ainsi que les techniques de détection ultra rapide. Ces projets bénéficient d’outils et d’infrastructures performantes et notamment des « chambres grises », d’une station à micro-pointes semi-automatique ainsi que des lignes de faisceaux de neutrons et d’ions chargés intenses et de leur système de dosimétrie associé, qui sont uniques en Europe.

D’autre part, les efforts ont porté sur le développement de tous les outils informatiques liés au fonctionnement du trajectographe. Il s’agit des logiciels qui permettent d’abord de contrôler, configurer et calibrer les milliers de composants électroniques du trajectographe et ensuite de reconstruire les traces des particules qui le traversent à partir de l’information produite par ses dix millions de micro pistes. En outre, des simulations numériques intensives ont permis de définir des algorithmes de reconstruction sophistiqués et des critères de sélection pour l’identification des événements susceptibles de mener à la découverte d’une physique nouvelle pour laquelle le LHC a été construit. Cette activité nécessite une excellente collaboration entre théoriciens et expérimentateurs. La puissance de calcul requise par ces travaux ainsi que par l’analyse des données qui seront fournies par CMS est très élevée et elle est obtenue en mettant en réseau (GRID) un grand nombre d’ordinateurs dispersés dans le monde. Un important nœud (Tier-2) de ce réseau est en cours d’installation à Louvain-la-Neuve, en étroite collaboration avec le CISM dont il doublera la puissance. Récemment notre groupe a rejoint l'expérience NA62 auprès de l'accélérateur SPS du CERN. Cette expérience a pour but l'étude des désintégrations rares du kaon. Notre implication dans cette expérience inclut la conception et la construction d'un trajectographe à pixel qui a la particularité de fournir une très grande résolution spatiale et temporelle. NA62 est encore en phase de développement et construction et les premières données sont attendues pour 2010. L'analyse de données de cette expérience va bénéficier de la longue expérience en physique des kaons de nos collègues théoriciens de CP3.



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Contact : Jérôme de Favereau