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

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

2 C. Vander Velde2 CEPULB - 9 décembre 2008 Contenu 1ère partie: Introduction : Le LHC Le Modèle Standard de la physique des particules: les particules élémentaires les forces fondamentales Lévolution de lunivers 2ème partie Que cherchera-t-on au LHC ? Lexpérience CMS La contribution belge La grille de calcul (GRID) Où en est-on?

3 C. Vander Velde3 CEPULB - 9 décembre 2008 Le grand collisionneur de hadrons, le LHC 100 m protons 7 TeV 1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x eV LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 7 X lénergie du Tevatron (USA) Energie de lunivers s après le bigbang v p = 99, % cc= km/s

4 C. Vander Velde4 CEPULB - 9 décembre 2008 Schéma du LHC 27 km 100 m

5 C. Vander Velde5 CEPULB - 9 décembre 2008 Le site du LHC 100 m 27 km CERN Léman Jura aéroport LHC

6 C. Vander Velde6 CEPULB - 9 décembre 2008 Le tunnel du LHC 8,3 tesla atm l dhelium liquide/heure Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers daimants supraconducteurs. protons : ~ tours de 27 km par seconde 120 tonnes d Helium -271,3° C (1,9 K) Le plus grand frigo du monde! système cryogénique

7 C. Vander Velde7 CEPULB - 9 décembre 2008 Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches spécifiques

8 C. Vander Velde8 CEPULB - 9 décembre 2008 ATLAS Immeuble de 5 étages ~6.000 T Les détecteurs au LHC CMS ~ T 15 m

9 C. Vander Velde9 CEPULB - 9 décembre 2008 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 sassembler ? Cosmologie : Etude de la structure et de lévolution de lUnivers

10 C. Vander Velde10 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires philosophes grecs : Anaximène et Thalès (VI ème et V ème av. J.C.): eau, air, feu (,terre). Leucippe et Démocrite (V ème et IV ème av. J.C.): (atomes)

11 C. Vander Velde11 CEPULB - 9 décembre 2008 noyau électrons neutrons protons atome Les particules élémentaires u d d quarks u u d

12 C. Vander Velde12 CEPULB - 9 décembre 2008 Ordre de grandeur des dimensions

13 C. Vander Velde13 CEPULB - 9 décembre 2008 Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm Ordre de grandeur des dimensions

14 C. Vander Velde14 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires La découverte de lélectron (Thomson – 1897): q e = - 1, C (charge négative) m e ~ m H / 2000 Lélectron est une toute petite partie de latome!

15 C. Vander Velde15 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires Les expériences modernes : détecteur particules accélérées Les quarks sont liés à lintérieur de particules, non élémentaires, appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des hadrons

16 C. Vander Velde16 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires Principe des expériences de diffusion : angle de déviation pas de déviation Cible diffuse : Cible ponctuelle : faible angle de déviation important On peut tirer des conclusions sur la structure interne des particules cibles en étudiant la distribution des angles de déviation.

17 C. Vander Velde17 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires La structure du proton p e-e- e-e- e-e- e-e- p années : en 1970, à plus haute énergie (20 Gev) : Le proton a une certaine étendue dans lespace m Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks!

18 C. Vander Velde18 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires Les constituants élémentaires de la matière stable sont les électrons, les quarks up et les quarks down Exemple : noyau dhélium

19 C. Vander Velde19 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarksLes leptons

20 C. Vander Velde20 CEPULB - 9 décembre 2008 Les particules élémentaires Les antiparticules : 1932 découverte de lantimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. 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. e-e- e+e+ charge - charge 0

21 C. Vander Velde21 CEPULB - 9 décembre 2008 Force électromagnétiqueForce gravitationnelle Force forte ou de couleurForce faible Les interactions fondamentales atome noyau n p + e - + e d u + e - + e

22 C. Vander Velde22 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales Le mécanisme déchange: Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». © David Calvet

23 C. Vander Velde23 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales Le mécanisme déchange: Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». La portée de linteraction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente. © David Calvet

24 C. Vander Velde24 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales Lélectrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par léchange de photons; le photon est le médiateur des interactions é.m..

25 C. Vander Velde25 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales Lélectrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par léchange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: portée infinie

26 C. Vander Velde26 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales Lélectrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par léchange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: Lélectrodynamique quantique est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!! échange dun photon p+p+ p+p+ diagramme de Feynman

27 C. Vander Velde27 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam): Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon + Interactions faibles, médiateurs: bosons Z 0, W + et W - lourds! Exemple 1: p n échange dun boson W - courant chargé + d(du) - + u(du) interaction à courte portée

28 C. Vander Velde28 CEPULB - 9 décembre 2008 Les interactions fondamentales La théorie électrofaible: Exemple 2: Etapes importantes: courants neutres observés - CERN bosons Z 0, W + et W - observés - CERN Unification de 2 des forces! e-e- e-e- échange dun boson Z° courant neutre + e - + e - IIHE (ULB-VUB)

29 C. Vander Velde29 CEPULB - 9 décembre 2008 La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de linteraction forte sont les gluons; il y en a 8. La force forte nagit 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 linteraction forte. Les interactions fondamentales

30 C. Vander Velde30 CEPULB - 9 décembre 2008 Le Modèle Standard (SM) Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) IIIIII matière familière matière instable

31 C. Vander Velde31 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Lunivers est en expansion: Hubble (1929): les galaxies se fuient Lunivers gonfle comme sil était le résultat dune gigantesque explosion : le big-bang. L énergie diminue, cest-à-dire que lunivers se refroidit. Distance (Mpc) Vitesse (kilomètres par seconde)

32 C. Vander Velde32 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Etape 1 : linflation t 0 : moment du big-bang : énergie infinie en un point inflation : lunivers augmente de en s t s:1000 GeV g g g Légère asymétrie – matière antimatière : ? Créations par paires énergie e + + e - énergie q + q Annihilations: e + + e - énergie q + q énergie E = mc², Einstein

33 C. Vander Velde33 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Etape 2 : baryogénèse t s:100 GeV Il ny a plus assez dénergie pour créer une paire quark- antiquark, seuls restent quelques quarks en excès, les plus légers, up et down, les autres sétant désintégrés. t s:1 GeV Ils sassemblent sous leffet de la force de couleur pour former des protons et des neutrons ( ce sont des baryons). Univers : protons, neutrons, électrons, neutrinos et radiation.

34 C. Vander Velde34 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Etape 3 : nucléosynthèse t s:100 eV 1 milliard de degrés Les premiers noyaux dHe 4 avec des traces de H 2, He 3 et de Li 7 se forment : t minutes: Univers : noyaux légers, électrons, neutrinos et radiation. d t He 4 n d p e+e+ t p p p ne+e+

35 C. Vander Velde35 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Etape 4 : formation des atomes t ans:3000 degrés Les atomes les plus simples se forment sous leffet de la force é.m. : H 1 et He 4 avec des traces de H 2, He 3 et de Li 7 Univers : atomes légers, neutrinos et radiation. e-e- e-e-

36 C. Vander Velde36 CEPULB - 9 décembre 2008 Lévolution de lunivers Etape 4 : formation de la matière puis, plus tard: formation des agglomérats de matière sous leffet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….amas,...planètes, ….la vie! t ,7 milliards dannées : aujourdhui

37 C. Vander Velde37 CEPULB - 9 décembre 2008 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 quaux auteurs des divers sites, à qui jai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation.


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