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Dominique Boutigny RAP 2010. Identifier les composants ultimes de la matière Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière dinteragir.

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1 Dominique Boutigny RAP 2010

2 Identifier les composants ultimes de la matière Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière dinteragir Formuler et comprendre les lois fondamentales qui régissent notre univers Photo: Point de Vue - Comprendre comment la complexité a pu émerger à partir des briques de base Lien avec la cosmologie

3 électron e muon tau neutrino e neutrino Famille des leptons upcharmtop downstrangebottom Famille des quarks Un proton ForceMédiateur électromagnétisme Photon faibleW +, W -, Z fortegluons (8) gravitationgraviton (?) Les médiateurs des forces e e

4 Plus lénergie de la particule incidente est grande, plus elle va sonder des échelles minuscules Proton Particule incidente Toutefois limage du faisceau de particules qui casse la matière en constituants plus petits est assez trompeuse Les grands collisionneurs de particules sont plutôt des convertisseurs de matière en énergie et dénergie en matière Collision conversion de la matière en énergie ( E = mc2) Re-matérialisation de lénergie en de multiples particules

5 Le LHC est construit dans un tunnel de 27 km de circonférence installé à 100 m sous terre au CERN près de Genève Deux faisceaux de protons tournant en sens inverse Collisions dans 4 zones dexpériences Énergie prévue: 14 TeV 14 TeV: soit 7 fois lénergie de laccélérateur américain de Fermilab en cours dexploitation LHC = L arge H adron C ollider Coût de la machine: ~3 milliards d

6 Limage selon laquelle le LHC recrée un mini Big Bang est fausse (heureusement !) Le LHC recrée des conditions dénergie qui ont existé peu de temps après le Big Bang, le LHC permet donc de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au tout début de lunivers LHC et Big Bang Schéma: © CERN Plus lénergie est élevée plus on se rapproche du Big Bang

7 Pour réaliser ces collisions, lénergie stockée dans les faisceaux est énorme : 2 TGV qui fonçent lun vers lautre ! Lénergie disponible lors dune collision est donc équivalente à celle de 14 moustiques en vol ! Suffisamment pour faire fondre 500 kg de cuivre 1 TeV = lénergie dun moustique en vol ! Cest la concentration de cette énergie dans un volume minuscule qui est grande Ceci nécessite quelques précautions ! Chaque aimant est alimenté par un courant de Ampères

8 Le LHC est entièrement supraconducteur – Il fonctionne à la température de lHélium superfluide: 1.9 K Ce qui nécessite aussi quelques précautions !

9 En raison dune mauvaise connexion entre deux aimants, un arc électrique perce lenceinte dHélium et créé un stress mécanique majeur Il faut réaliser la complexité de lappareillage: 9300 aimants supraconducteurs et des dizaines de milliers de connexions

10 Après 1 an dintense travail, le LHC est réparé Remise en service fin 2009 mais énergie limitée à 7 TeV Programme: montée progressive en intensité 2 ans de physique à 7 TeV Arrêt dun an pour finaliser les modifications sur la machine Fonctionnement à 14 TeV Programme: montée progressive en intensité 2 ans de physique à 7 TeV Arrêt dun an pour finaliser les modifications sur la machine Fonctionnement à 14 TeV Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010 … mais à intensité réduite Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010 … mais à intensité réduite

11 ATLAS CMS LHCb

12 Comme tous les collisionneurs à protons, le LHC est une machine de découverte, faite pour explorer des domaines dénergie totalement nouveaux Plusieurs arguments de physique laissent penser que des phénomènes nouveaux doivent se manifester aux énergies du LHC La masse Comment les particules élémentaires acquièrent- elles une masse ? La masse Comment les particules élémentaires acquièrent- elles une masse ? Lasymétrie entre la matière et lantimatière: Pourquoi lantimatière est-elle apparemment absente de lunivers ? Lasymétrie entre la matière et lantimatière: Pourquoi lantimatière est-elle apparemment absente de lunivers ? Le problème de la matière noire et de lénergie noire: La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité dénergie de lunivers – De quoi sont constitués les 96% restants ? Le problème de la matière noire et de lénergie noire: La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité dénergie de lunivers – De quoi sont constitués les 96% restants ? Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ? Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière ! Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ? Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière !

13 Illustration CERN daprès une idée de David J. Miller, Physics and Astronomy, University College London. Lassemblée dastronomes amateurs … … représente le champ de Higgs

14 Une astronome célèbre rentre… cest notre particule … tout le monde se presse autour delle et elle a du mal à fendre la foule Le champ de Higgs (les astronomes amateurs) se comporte comme un fluide visqueux Une fois arrêtée lastronome célèbre a du mal à se remettre en mouvement Elle acquiert une inertie masse Le champ de Higgs (les astronomes amateurs) se comporte comme un fluide visqueux Une fois arrêtée lastronome célèbre a du mal à se remettre en mouvement Elle acquiert une inertie masse Le champ de Higgs est présent partout dans le vide

15 Le boson de Higgs est comme une rumeur … … « Betelgeuse vient dexploser … »

16 La rumeur se propage de proche en proche, entrainant lapparition de groupes dastronomes amateurs commentant la nouvelle … La rumeur se comporte comme une particule acquérant une masse dans le champ de Higgs, cest lanalogue du boson de Higgs Le boson de Higgs est une excitation du champ de Higgs Lénergie du LHC devrait être suffisante pour observer cette excitation

17 Simulation dune collision engendrant la production dun boson de Higgs Il y a dautres signatures possibles Celle-ci est lune des plus « simple » à reconnaître Il y a dautres signatures possibles Celle-ci est lune des plus « simple » à reconnaître Il faut tout de même en trouver plusieurs de ce type au milieu de millions de collisions

18 La gravitation est difficilement compatible avec la mécanique quantique qui marche pourtant très bien avec les autres forces Idée: La gravitation « verrait » des dimensions supplémentaires au- delà des 3 dans lesquelles nous évoluons Lunification de la gravitation avec les autres forces nécessite des espaces à 10 ou 11 dimensions Théorie des cordes par exemple

19 La funambule ne perçoit quune seule dimension le long de la corde La puce peut se déplacer dans deux dimensions Lune des dimensions est spatialement peu étendue et repliée Nous ne percevons que 3 dimensions spatiales – la gravitation (la puce) est sensible aux autres

20 Des effets dus aux dimensions supplémentaires pourraient être perçus au LHC Production dun graviton qui se propage dans une dimension supplémentaire On observerait un déficit dénergie dans le détecteur Production dun micro trou noir qui sévapore instantanément Dautres signatures existent Ces découvertes pourraient être faites peu de temps après le démarrage du LHC

21 La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrie Les lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrie Les lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes Conservation de lénergie Invariance temporelle de la physique Monde des fermions Spin ½ entier Les particules de matière standards sont des fermions électrons – quarks –neutrinos … Monde des fermions Spin ½ entier Les particules de matière standards sont des fermions électrons – quarks –neutrinos … Mondes des bosons Spin entier Les particules qui transportent les forces sont des bosons (photons – gluons …) Mondes des bosons Spin entier Les particules qui transportent les forces sont des bosons (photons – gluons …) SUSY A chaque fermion est associé un boson et à chaque boson est associé un fermion Partenaires supersymétriques

22 Les particules supersymétriques se désintègrent en donnant dautres particules supersymétriques sauf la plus légère qui est stable Elle possède une masse mais ninteragit pas avec la matière ordinaire © ESA / NASA Cette particule est un excellent candidat pour expliquer la matière noire dans lunivers Cette théorie est très élégante et permet de résoudre quelques « petits » problèmes du modèle standard de la physique des particules SUSY prédit lexistence dautres bosons de Higgs que le LHC pourrait détecter

23 Lénergie noire qui domine lévolution de lunivers est probablement liée à la structure du vide quantique Cosmologie Physique des particules Le vide est rempli par le champ de Higgs qui donne sa masse aux particules La tentation est grande de lier les deux « Petit » problème: Lénergie du vide de la physique des particules est fois trop grande pour expliquer lénergie noire ! Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à lénergie noire « Petit » problème: Lénergie du vide de la physique des particules est fois trop grande pour expliquer lénergie noire ! Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à lénergie noire Cest probablement lun des plus grand problème de la physique actuelle et le LHC pourrait fournir quelques indices ?

24 Le LHC est une machine extrêmement complexe faisant intervenir de très nombreux éléments actifs. La montée en intensité va être prudente et progressive… Le LHC va fonctionner à la moitié de lénergie nominale pendant 2 ans qui seront suivis par un an de travaux damélioration Il y a très peu de chance que le Higgs soit découvert avant 5 ans ! Par contre dautres découvertes peuvent être faites si dame Nature est généreuse La physique des particules modernes est une école de patience Le LHC représente également une aventure humaine exceptionnelle

25 Site grand public du LHC au CERN : Le guide du LHC : Brochure Fre.pdf Brochure Fre.pdf Visualiser létat de fonctionnement du LHC en direct : Le CERN sur Twitter : Le site web du satellite Planck avec des explications en français sur la cosmologie : Un article de Richard Taillet sur la matière noire :


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