LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN

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1 LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN
LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles réponses nous apportera-t-il? 1ère partie CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

2 Contenu 1ère partie: 2ème partie Introduction : Le LHC
Le Modèle Standard de la physique des particules: les particules élémentaires les forces fondamentales L’évolution de l’univers 2ème partie Que cherchera-t-on au LHC ? L’expérience CMS La contribution belge La grille de calcul (GRID) Où en est-on? CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

3 Le grand collisionneur de hadrons, le LHC
LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 100 m protons protons 7 TeV 7 TeV 7 X l’énergie du Tevatron (USA) Energie de l’univers 10-10s après le bigbang vp = 99, % c c= km/s 1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x 1012 eV CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

4 Schéma du LHC 100 m  = 27 km CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

5 Le site du LHC Jura Léman 27 km aéroport LHC CERN 27 km 100 m
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6 Le tunnel du LHC 120 tonnes d’ Helium -271,3° C (1,9 K) Le plus grand frigo du monde! Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers d’aimants supraconducteurs. protons : ~ tours de 27 km par seconde 10-13 atm système cryogénique 8,3 tesla l d’helium liquide/heure CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 6

7 Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches
concentriques ayant des tâches spécifiques CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

8 Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m ~12.500 T
CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde ~6.000 T

9 Le LHC : pourquoi ? Comprendre les lois de la nature
Physique des particules élémentaires : Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires? Quelles sont les forces qui les font s’assembler ? Cosmologie : Etude de la structure et de l’évolution de l’Univers CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

10 Les particules élémentaires
philosophes grecs : Anaximène et Thalès (VIème et Vème av. J.C.): eau, air, feu (,terre). Leucippe et Démocrite (Vème et IVème av. J.C.): atomos (atomes) CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

11 Les particules élémentaires
noyau électrons neutrons u d quarks protons La fynu s’intéresse au noyau et les pp s’intéresse aux part individuellement, à l’état libre u d quarks atome CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 11

12 Ordre de grandeur des dimensions
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13 Ordre de grandeur des dimensions
Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

14 Les particules élémentaires
La découverte de l’électron (Thomson – 1897): qe = - 1, C (charge négative) me ~ mH / 2000 L’électron est une toute petite partie de l’atome! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

15 Les particules élémentaires
Les expériences modernes : détecteur particules accélérées Les quarks sont liés à l’intérieur de particules, non élémentaires, appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des hadrons CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

16 Les particules élémentaires
Principe des expériences de diffusion : Cible diffuse : pas de déviation angle de déviation faible Cible ponctuelle : angle de déviation important On peut tirer des conclusions sur la structure interne des particules cibles en étudiant la distribution des angles de déviation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

17 Les particules élémentaires
La structure du proton années : p e- Le proton a une certaine étendue dans l’espace m en 1970, à plus haute énergie (20 Gev) : e- p Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

18 Les particules élémentaires
Les constituants élémentaires de la matière stable sont les électrons, les quarks up et les quarks down - Exemple : noyau d’hélium - + + CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

19 Les particules élémentaires
Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks Les leptons CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

20 Les particules élémentaires
Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : p  p = antiproton n  n = antineutron e-  e- = e+ = positon ou positron même masse, même temps de vie, charges opposées. charge - charge 0 e- e+ 1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

21 Les interactions fondamentales
. Les interactions fondamentales 10-40 10-2 atome Force gravitationnelle Force électromagnétique 1 10-5 noyau n  p + e- + ne d  u + e- + ne Force forte ou de couleur Force faible CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

22 Les interactions fondamentales
Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

23 Les interactions fondamentales
Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». La portée de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

24 Les interactions fondamentales
L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons; le photon est le médiateur des interactions é.m.. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

25 Les interactions fondamentales
L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: portée infinie CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

26 Les interactions fondamentales
L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: L’électrodynamique quantique est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!! échange d’un photon p+ diagramme de Feynman CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

27 Les interactions fondamentales
La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam): Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon + Interactions faibles, médiateurs: bosons Z0, W+ et W- lourds! Exemple 1:  + d(du)  - + u(du) p n échange d’un boson W- “courant chargé” interaction à courte portée CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

28 Les interactions fondamentales
La théorie électrofaible: Exemple 2: Etapes importantes: courants neutres observés - CERN bosons Z0, W+ et W- observés - CERN Unification de 2 des forces!  + e-   + e- e- échange d’un boson Z° “courant neutre” IIHE (ULB-VUB) CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

29 Les interactions fondamentales
La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8. La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ». Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

30 Le Modèle Standard (SM)
Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g matière familière matière instable I II III CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

31 L’évolution de l’univers
L’univers est en expansion: Hubble (1929): les galaxies se fuient L’univers gonfle comme s’il était le résultat d’une gigantesque explosion : le big-bang. L ’énergie diminue, c’est-à-dire que l’univers se refroidit. Distance (Mpc) (kilomètres par seconde) Vitesse CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

32 L’évolution de l’univers
? Etape 1 : l’inflation t0: moment du big-bang : énergie infinie en un point inflation : l’univers augmente de 1030 en s t s: GeV g Créations par paires énergie  e+ + e- énergie  q + q E = mc² , Einstein Annihilations: e+ + e-  énergie q + q  énergie Légère asymétrie – matière antimatière : CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

33 L’évolution de l’univers
Etape 2 : baryogénèse t s: 100 GeV Il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks en excès, les plus légers, up et down, les autres s’étant désintégrés. t s: 1 GeV Ils s’assemblent sous l’effet de la force de couleur pour former des protons et des neutrons ( ce sont des baryons). Univers : protons, neutrons, électrons, neutrinos et radiation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

34 L’évolution de l’univers
Etape 3 : nucléosynthèse t0 +100s: 100 eV milliard de degrés Les premiers noyaux d’He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 se forment : t0 +30 minutes: Univers : noyaux légers, électrons, neutrinos et radiation. p n e+ d p e+ n t d t He4 n CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

35 L’évolution de l’univers
Etape 4 : formation des atomes t ans: degrés Les atomes les plus simples se forment sous l’effet de la force é.m. : H1 et He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 Univers : atomes légers, neutrinos et radiation. e- CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

36 L’évolution de l’univers
Etape 4 : formation de la matière puis, plus tard: formation des agglomérats de matière sous l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….amas, ...planètes, ….la vie! t0 + 13,7 milliards d’années : aujourd’hui CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

37 Pour en savoir plus : Le CERN et notamment le LHC pour le public :
Physique des particules : Univers des particules, Michel Crozon – Le Seuil (1999) Une brève histoire du temps, Stephen Hawking – Flammarion (2008) Merci à tous mes collègues, de Bruxelles et de la collaboration CMS ainsi qu’aux auteurs des divers sites, à qui j’ai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde