Les expériences ATLAS et CMS au Large Hadron Collider (LHC) ont effectué des mesures de luminosité avec une précision spectaculaire. Une récente séance d'information sur la physique de CMS complète les résultats antérieurs d'ATLAS et montre qu'en combinant plusieurs méthodes, les deux expériences ont atteint une précision meilleure que 2%. Pour les analyses physiques, telles que la recherche de nouvelles particules, processus rares ou mesures des propriétés de particules connues - il n'est pas seulement important que les accélérateurs augmentent la luminosité, mais aussi pour les physiciens de le comprendre avec la meilleure précision possible.

La luminosité est l'un des paramètres fondamentaux pour mesurer les performances d'un accélérateur. Dans le LHC, les faisceaux de protons circulants ne sont pas des faisceaux continus mais sont regroupés en paquets, ou "bouquets, " d'environ 100 milliards de protons. Ces paquets entrent en collision avec des paquets venant en sens inverse 40 millions de fois par seconde aux points d'interaction dans les détecteurs de particules. Mais lorsque deux de ces paquets se croisent, seuls quelques protons de chaque paquet finissent par interagir avec les protons circulant en sens inverse. La luminosité est une mesure du nombre de ces interactions. Deux aspects principaux de la luminosité sont la luminosité instantanée, décrivant le nombre de collisions se produisant dans une unité de temps (par exemple chaque seconde), et luminosité intégrée, mesurer le nombre total de collisions produites sur une période de temps.

La luminosité intégrée est généralement exprimée en unités de « femtobarns inverses » (fb ^-1 ). Un femtobarn est une unité de section transversale, une mesure de la probabilité qu'un processus se produise dans une interaction de particules. Ceci est mieux illustré par un exemple :la section efficace totale pour la production du boson de Higgs dans les collisions proton-proton à 13 TeV au LHC est de l'ordre de 6000 fb. Cela signifie qu'à chaque fois que le LHC délivre 1 fb ^-1 de luminosité intégrée, environ 6000 fb x 1 fb ^-1 =6000 bosons de Higgs sont produits.

Connaître la luminosité intégrée permet aux physiciens de comparer les observations avec les prédictions théoriques et les simulations. Par exemple, les physiciens peuvent rechercher des particules de matière noire qui échappent aux collisions sans être détectées en examinant les énergies et les moments de toutes les particules produites lors d'une collision. S'il y a un déséquilibre, cela pourrait être causé par un non détecté, matière potentiellement noire, particule transportant de l'énergie. C'est une méthode puissante de recherche d'une grande classe de nouveaux phénomènes, mais il doit prendre en compte de nombreux effets, tels que les neutrinos produits lors des collisions. Les neutrinos s'échappent également sans être détectés et laissent un déséquilibre énergétique, donc en principe, ils sont indiscernables des phénomènes nouveaux. Pour voir si quelque chose d'inattendu s'est produit, les physiciens doivent regarder les chiffres.

Donc si 11000 événements montrent un déséquilibre énergétique, et les simulations prédisent 10000 événements contenant des neutrinos, cela peut être important. Mais si les physiciens ne connaissent la luminosité qu'avec une précision de 10%, ils auraient facilement pu avoir 11000 événements neutrinos, mais il n'y a eu que 10 % de collisions de plus que prévu. Clairement, une détermination précise de la luminosité est essentielle.

Il existe également des types d'analyses qui dépendent beaucoup moins de la connaissance absolue du nombre de collisions. Par exemple, dans les mesures des rapports de différentes désintégrations de particules, comme la récente mesure LHCb. Ici, les incertitudes de luminosité sont annulées dans les calculs de ratio. D'autres recherches de nouvelles particules recherchent des pics de distribution de masse et reposent donc davantage sur la forme de la distribution observée et moins sur le nombre absolu d'événements. Mais ceux-ci ont également besoin de connaître la luminosité pour tout type d'interprétation des résultats.

Finalement, plus la précision de la mesure de luminosité est grande, plus les physiciens peuvent comprendre leurs observations et fouiller dans des recoins cachés au-delà de nos connaissances actuelles.