Rolf Heuer, Director General
On the threshold of new territory
9 March 2010
The LHC is already over a week into its 2010 run, and the start of physics at 7 TeV is just around the corner. Last week, participants at the annual La Thuile workshop in Italy had the chance to take stock of what lies in store for the LHC’s first physics run. They learned that there’s a great sense of anticipation here at CERN and at particle physics labs around the globe, and for good reason – we’re about to open up the biggest range of potential new discovery that particle physics has seen in over a decade.
Our objective over the next 18 to 24 months is to deliver one inverse femtobarn of data to the experiments. In other words, enough data to make significant advances across a wide range of physics channels.
Take supersymmetry. ATLAS and CMS will each have enough data to significantly extend today’s sensitivity to new discoveries. Experiments today are sensitive to some supersymmetric particles with masses up to about 400 GeV. An inverse femtobarn at the LHC pushes that up to about 800 GeV. This means that in the next two years, the experiments at the LHC will explore as much territory in their quest for SUSY as has been covered in the history of particle physics to date. In other words, the LHC has a real chance over the next two years of discovering supersymmetric particles, possibly elucidating the nature of the dark matter that accounts for about a quarter of the mass and energy of the Universe.
The Higgs particle is another example. The last word that CERN had to say on the matter came from LEP almost ten years ago. In the last year of LEP running there were tantalising signs that the Higgs might have made an appearance but all we could say for sure was that the Higgs must have a mass above about 115 GeV. Since then, the Tevatron has done great work towards ruling out some of the mass range that the Higgs could inhabit. With an inverse femtobarn of data from the LHC, the combined analyses of ATLAS and CMS will be able to explore a wide mass range, and there’s even a chance of discovery if the particle has a mass near 160 GeV.
At the more exotic end of the potential discovery spectrum, LHC experiments will be sensitive to new massive particles that could herald the presence of extra dimensions. Discoveries up to masses of 2 TeV will be possible, whereas today’s reach is around 1 TeV.
All this makes now a very good time to be a particle physicist, and in particular a student of particle physics. Some 2500 graduate students are eagerly awaiting data from all the LHC experiments, ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf and TOTEM. They’re a privileged group, set to produce the first PhD theses at the new high-energy frontier.
Two years of continuous running is a tall order both for the LHC operators and the experiments, but it will be well worth the effort. By abandoning CERN’s traditional annual operational cycle we’re increasing the overall running time and discovery potential over the next three years. This run will be followed by preparations for 14 TeV collisions in a single shutdown and another major advance into new territory as great as the one we are on the threshold of achieving.
Aux portes d’un nouveau territoire
L’exploitation 2010 du LHC a commencé depuis déjà une semaine et le démarrage de la physique à 7 TeV est imminent. La semaine dernière, les participants à l’atelier annuel de La Thuile en Italie ont pu faire le point sur ce que la première période d’exploitation du LHC pour la physique pourrait bien nous réserver. Ils ont pris conscience de l’effervescence qui règne au CERN et dans les laboratoires de physique des particules du monde entier, et ce, à juste titre, puisque nous nous apprêtons à ouvrir la voie à un potentiel de découvertes sans précédent pour la physique des particules depuis plus d’une décennie.
Notre objectif pour les 18 à 24 mois à venir est de fournir aux expériences 1 fb-1 (femtobarn) de données. En d’autres termes, suffisamment de données pour réaliser des avancées notables via des branches très diverses de la physique.
Prenons la supersymétrie. ATLAS et CMS disposeront chacune de suffisamment de données pour élargir notablement la sensibilité actuelle aux nouvelles découvertes. Aujourd’hui, les expériences sont sensibles à certaines particules supersymétriques dont les masses vont jusqu’à environ 400 GeV. Le LHC, avec 1fb-1, va permettre d’aller jusqu’à environ 800 GeV. Cela signifie que, au cours des deux années à venir, les expériences LHC exploreront, dans leur recherche de la supersymétrie (SUSY), un territoire aussi vaste que celui couvert dans l’histoire de la physique des particules jusqu’à ce jour. En d’autres termes, il se pourrait bien que le LHC, dans les deux années à venir, découvre des particules supersymétriques, avec la possibilité également d’élucider la nature de la matière noire, qui représente environ un quart de la masse et de l’énergie de notre Univers.
Prenons un autre exemple, le boson de Higgs. Les derniers résultats obtenus par le CERN à ce sujet remontent à une dizaine d’années avec le LEP. Durant la dernière année d’exploitation du LEP, certains indices séduisants de l’éventuelle présence du boson de Higgs avaient été décelés, mais tout ce que nous pouvions alors affirmer avec certitude c’était que cette particule devait avoir une masse supérieure à environ 115 GeV. Depuis, le Tévatron a permis de réaliser de grands progrès en la matière en excluant certains domaines de masses probables pour le Higgs. Les analyses qu’ATLAS et CMS pourront effectuer ensemble à partir des 1 fb-1 de données du LHC permettront d’explorer un large domaine de masses, et il y aura une chance bien réelle de découverte, si la masse du Higgs avoisine les 160 GeV.
À l’autre extrémité – bien plus exotique – des découvertes possibles, les expériences LHC seront sensibles à de nouvelles particules massives qui pourraient signaler la présence de dimensions supplémentaires. Il sera possible de découvrir des particules ayant une masse pouvant aller jusqu’à 2 TeV, alors qu’aujourd’hui, on se situe aux alentours de 1 TeV.
Pour toutes ces raisons, il fait bon en ce moment être physicien des particules, et en particulier étudiant dans cette discipline. Quelque 2 500 doctorants attendent avec impatience les données que produiront toutes les expériences LHC, à savoir ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf et TOTEM. Ils forment un cercle de privilégiés qui s'apprête à rédiger les premières thèses de doctorat à la nouvelle frontière des hautes énergies.
Deux années d’exploitation continue ne seront pas de tout repos pour les opérateurs du LHC et les expériences, mais le jeu en vaudra bien la chandelle. En renonçant au cycle d’exploitation traditionnel du CERN sur une année, nous augmenterons la durée d'exploitation totale et, ainsi, les chances de découvertes au cours des trois prochaines années. À l’issue de cette période d’exploitation, on procédera, lors d’une période d’arrêt unique, aux préparatifs en vue de collisions à 14 TeV, un nouveau grand pas dans ce territoire vierge, aussi grand que celui que nous sommes sur le point de faire.