Le domaine scientifique du pôle de Physique des Hautes Énergies (PHE) est celui de l’étude des constituants élémentaires de la matière, les quarks (constituants, entre autres, des protons et des neutrons) et les leptons (par exemple l’électron ou le neutrino). On connaît aujourd’hui douze particules élémentaires réparties en trois familles composées chacune de deux quarks, d’un lepton chargé et d’un neutrino. Etant données leurs faibles masses elles ne sont pas sensibles à la force gravitationnelle, on peut donc considérer qu’elles n’interagissent que par l’intermédiaire de trois forces :
- L’interaction électromagnétique, associée à la charge électrique
- L’interaction forte responsable de la cohésion des noyaux atomiques et des nucléons
- L’interaction faible responsable de certaines désintégrations radioactives et des réactions qui ont lieu au cœur des étoiles
Le modèle qui décrit ces particules, leurs interactions et la façon dont les particules élémentaires acquièrent une masse via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, est appelé le Modèle Standard de la physique des particules. Élaboré au début des années 1970 et affiné peu à peu, il a permis d’expliquer les résultats d’un grand nombre d’expériences et prédit avec précision de nombreux phénomènes. Il laisse toutefois de nombreuses questions sans réponse parmi lesquelles on peut citer : de quoi est constituée la majeure partie de la matière observée dans l’Univers (« matière noire »), quelle est la source de l’asymétrie matière–antimatière observée dans l’Univers, pourquoi la masse des neutrinos est-elle si petite (mais non nulle), pourquoi le nombre de familles de particules est de trois…
Les expériences auxquelles participent les chercheurs et chercheuses du pôle PHE portent donc sur les tests du Modèle Standard afin de mieux le contraindre ou de le mettre en défaut.
Trois des quatre grandes expériences du LHC au CERN sont présentes dans le pôle PHE. Dans l’expérience ALICE nous étudions le plasma de quarks de gluons et plus généralement l’interaction forte dans les domaines perturbatif et non-perturbatif; dans ATLAS nous testons le Modèle Standard en mesurant précisément de nombreux processus, en particulier ceux permettant d’étudier les propriétés du boson de Higgs, mais aussi en cherchant des signes indiquant l’existence de nouvelle physique; dans l’expérience LHCb nous travaillons également sur des observables en lien avec l’interaction forte et la recherche de signes de physique au-delà du Modèle Standard via des mesures précises dans le domaine des hadrons comportant un quark c ou b.
Dans le but d’étudier et tester le Modèle Standard, nous participons également à des expériences situées en dehors du CERN. Nous faisons ainsi partie de l’expérience Belle 2 à KEK au Japon où nous étudions les désintégrations des hadrons comportant un quark c ou b ainsi que celles des leptons tau et nous confrontons nos résultats aux prédictions théoriques. Nous étudions également la structure des nucléons au JEFFERSON LAB aux Etats-Unis et les effets du milieu nucléaire sur les propriétés des hadrons avec l’expérience HADES à GSI en Allemagne.
Nous sommes également impliqués dans la préparation de futurs expériences au sein de collisionneurs électron-positron en participant aux projets FCC et ILC qui prévoient de tester finement le Modèle Standard et en particulier le secteur du boson de Higgs. Nous sommes également impliqués dans la préparation du futur collisionneur électron-ion (EIC) à BNL qui étudiera la structure des nucléons.
Les neutrinos sont les particules dont les propriétés pointent vers une physique au-delà du Modèle Standard. Dans l’équipe Neutrinos, nous étudions cette particule à travers plusieurs expériences (SuperNemo, Solid, JUNO, DUNE) en fonctionnement ou en construction afin d’élucider leurs caractéristiques. Notre équipe investigue également de nouvelles technologies et de nouveaux détecteurs pouvant permettre d’améliorer l’observation de différentes sources de neutrinos, comme le projet LiquidO.
Par ailleurs nous faisons des tests sur la théorie quantique de l’électromagnétisme dans le régime des champs intenses (DeLLight).
Ces recherches et leurs interprétations se font en lien avec les chercheurs du pôle Théorie. Pour le suivi de nos détecteurs et le développement des expériences futures nous nous appuyons sur les expertises des équipes de mécaniciens, électroniciens, instrumentalistes et informaticiens du pôle Ingénierie.