La mise à niveau à haute luminosité du Grand collisionneur de hadrons (HL-LHC) devrait commencer à faire entrer en collision des protons en 2026. Cette amélioration majeure de l'accélérateur phare du CERN multipliera par 10 le nombre total de collisions dans l'expérience ATLAS. Pour faire face avec cette augmentation, ATLAS prépare une série complexe de mises à niveau comprenant l'installation de nouveaux détecteurs utilisant une technologie de pointe, le remplacement de l'électronique vieillissante, et la mise à niveau de son système de déclenchement et d'acquisition de données.

Quelles opportunités de découverte seront à la portée d'ATLAS avec la mise à niveau du HL-LHC ? Avec quelle précision les physiciens pourront-ils mesurer les propriétés du boson de Higgs ? À quelle profondeur seront-ils capables de sonder les processus du modèle standard à la recherche de signes d'une nouvelle physique ? La collaboration ATLAS a réalisé et publié des dizaines d'études pour répondre à ces questions, dont les résultats ont été une contribution précieuse aux discussions tenu cette semaine lors du Symposium sur la stratégie européenne pour la physique des particules, à Grenade, Espagne.

« Étudier le potentiel de découverte du HL-LHC était une tâche fascinante associée aux mises à niveau d'ATLAS, " dit Simone Pagan Griso, Co-organisateur du groupe de physique de mise à niveau d'ATLAS. "Les résultats sont informatifs non seulement pour la collaboration ATLAS mais pour l'ensemble de la communauté mondiale de la physique des particules, alors qu'ils réévaluent les opportunités et les défis qui nous attendent. ces études établissent des repères importants pour les prochaines générations d'expériences en physique des particules.

Pagan Griso a travaillé avec Leandro Nisati, le représentant d'ATLAS au comité directeur du « Rapport jaune » du potentiel physique du HL-LHC, et co-organisateur du groupe ATLAS Upgrade Physics Group, Sarah Demers, coordonner ces études pour la collaboration. "Un rapport jaune du CERN, avec la publication sous sa forme définitive à venir, combinera les résultats d'ATLAS avec ceux d'autres expériences LHC, ainsi que l'apport de physiciens théoriciens, " dit Nisati.

Estimer les performances d'une machine non encore construite, qui fonctionnera dans des circonstances qui n'ont jamais été confrontées, était une tâche complexe pour l'équipe d'ATLAS. "Nous avons adopté deux approches parallèles, " explique Demers. " Pour un jeu de projections d'analyse, nous avons commencé par des simulations des conditions expérimentales difficiles du HL-LHC. Ces événements physiques simulés ont ensuite été transmis à un logiciel personnalisé pour nous montrer comment les particules interagiraient avec un détecteur ATLAS amélioré. Nous avons ensuite développé de nouveaux algorithmes pour essayer de sélectionner les signaux physiques parmi la quantité difficile d'événements de fond. » Traiter avec un fond abondant sera une complication courante pour le fonctionnement du HL-LHC.

Suivant cette approche, l'équipe a découvert que l'ensemble de données HL-LHC permettra à ATLAS de rechercher de nouveaux bosons Z massifs (notés Z') aussi lourds que 6,5 TeV, et rechercher de nouveaux bosons W' jusqu'à 7,9 TeV de masse. "Cette méthode a été utile en ce sens qu'elle nous a appris la portée physique potentielle du détecteur ATLAS amélioré, mais il avait aussi ses limites, " dit Demers. "Notre expérience a prouvé que, à mesure que nous nous familiarisons avec le fonctionnement du détecteur et de l'accélérateur, nous sommes en mesure d'améliorer nos techniques de prise de données et d'avoir de nouvelles idées pour les analyses de physique. Il est difficile de quantifier à quel point une décennie de réflexion et de travail acharné apportera une amélioration !"

La deuxième approche utilisée dans les projections physiques du HL-LHC a utilisé les meilleurs résultats actuels d'ATLAS en physique. L'équipe a examiné quels éléments des analyses devaient s'améliorer, se dégrader ou rester le même dans les nouvelles conditions du HL-LHC. Le riche panorama de la physique du boson de Higgs était d'une importance capitale, car son étude fait partie des objectifs principaux de la mise à niveau du HL-LHC. Le vaste ensemble de données attendu du HL-LHC sera essentiel pour découvrir de nombreuses inconnues du boson de Higgs.

« En utilisant les résultats de physique d'ATLAS actuels, nous avons projeté des incertitudes inférieures à 5% sur les mesures des taux de cinq types de désintégrations du boson de Higgs :en quarks b, taus, aux bosons W, aux bosons Z et aux photons, " dit Pagan Griso. " D'après ces projections, nous serons également très sensibles aux rares désintégrations du boson de Higgs, comme sa désintégration en muons."

Cette seconde méthode a bénéficié de toute la sophistication et de l'optimisation des analyses actuelles d'ATLAS. Cependant, contrairement à la première approche, il n'a pas pu envisager directement les améliorations que le détecteur ATLAS amélioré apportera. Il ne peut pas non plus estimer à quel point l'analyse physique deviendra plus difficile dans les conditions extrêmes du HL-LHC. En tant que tel, une combinaison des deux approches donne la meilleure prédiction possible du potentiel physique d'ATLAS au HL-LHC.

Au cours de cette étude, ATLAS a publié plus de 40 notes publiques documentant les résultats de plus de 80 canaux d'analyse. Ces résultats sont tous accessibles au public et éclaireront les stratégies de priorisation des physiciens du monde entier. "Ces études représentent notre meilleure compréhension de l'énorme potentiel physique qui attend ATLAS, " conclut Demers. " C'est excitant d'avoir de telles opportunités devant nous, alors que nous continuons à apprendre de l'ensemble de données actuel du LHC et travaillons pour maximiser les informations sur notre Univers qu'ATLAS peut fournir. »