Dans une collision de protons à très haute énergie, l'interaction forte tient le premier rôle. Elle est présente tout au long de la collision, depuis l'organisation des composantes élémentaires des protons – quarks et gluons (aussi appelés partons) – jusqu'à leur réassemblage en petits groupes formant les hadrons (observables). C'est encore elle qui est à l'origine des désintégrations successives des particules issues de la collision, donnant naissance à d'autres particules, l'ensemble de la séquence formant une véritable « cascade de partons ».
Dans le grand collisionneur de hadrons du Cern (LHC), les physiciens étudient une très large gamme d'énergies et de distances associées, avec des échelles d'énergie au moment de la collision bien au-delà du téraélectronvolt ou TeV (1012 eV), correspondant à des distances d'interaction inférieures à 2.10-19 m. En revanche, les particules observées dans les détecteurs du LHC ont des énergies inférieures de plusieurs ordres de grandeur, pouvant varier entre le gigaélectronvolt ou GeV (109 eV) et le TeV.
Si les théoriciens ne peuvent pas calculer les effets de l'interaction forte en dessous du GeV (qui correspond à la masse du proton ou du neutron), ils peuvent utiliser, pour la gamme GeV-TeV, les équations de la chromodynamique quantique (QCD) avec une précision qui croît avec l'énergie. Et pour décrire les cascades de partons, ils recourent à des outils théoriques (comme la resommation) qui permettent de conserver la précision de calcul, malgré la multiplicité des interactions.
Améliorer la précision théorique
Un chercheur de l'IPhT, Gregory Soyez, a proposé de mieux caractériser la précision théorique de ces calculs et a développé avec ses collaborateurs, dans le cadre d'une bourse ERC (projet PanScales), une nouvelle méthode près de 10 fois plus précise que les précédentes pour simuler les cascades de partons : Next-to-Next-to-Leading Logarithmic (NNLL) succédant à Next-to-Leading Logarithmic (NLL).
Bien plus flexible que les calculs analytiques attachés à une observable unique, ce nouvel outil a été appliqué avec succès à une classe de mesures très courantes dans les collisionneurs e+e-, impliquant toutes les particules dans l'état final, et le sera prochainement à bien d'autres classes de mesures.
Il devrait in fine aider les expérimentateurs du LHC à atteindre une grande précision dans l'exploration des nouvelles propriétés du champ de Higgs et la recherche d'une nouvelle physique potentielle à des énergies plus élevées.
Il permettra en particulier d'entraîner des réseaux de neurones, par exemple, à discriminer rapidement des cascades de partons impliquant ou non la création d'un boson de Higgs. La sélection des collisions d'intérêt est en effet un point essentiel pour l'exploitation du LHC en cours de jouvence (LHC haute luminosité), ainsi que celle du futur accélérateur à très haute énergie qui lui succédera.
Plus largement, il pourra servir à différents niveaux des analyses expérimentales, notamment pour l'évaluation des incertitudes de mesures, ainsi qu'à tester de nouvelles idées théoriques. Ceci s'applique également aux futurs accélérateurs pour lesquels les besoins de précision seront accrus.
À l'IPhT, PanScales est dirigé par Gregory Soyez, avec une ancienne post-doctorante, Alba Soto Ontoso, et Silvia Ferrario-Ravasio (CNRS). Les autres instituts collaborateurs sont Oxford University, University College London, Manchester University, le Cern, National Institute for Subatomic Physics (Nikhef, Pays-Bas), l'Université de Grenade et Monash College (Australie).
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