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La grande chasse aux particules ou : Comment attrapper des PUCES avec un PORTE-AVIONS.

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1 La grande chasse aux particules ou : Comment attrapper des PUCES avec un PORTE-AVIONS

2 Chapitre 1 : La traque, ou comment faire sortir les particules de leur cachette...

3 Le principe du réveil-matin Question n°1: Comment savoir de quoi est composée la matière qui nous entoure ? Réponse : On casse... C'est-à-dire : on projette à très grande vitesse la victime contre un objet fixe ou une autre victime !

4 Accélérer des particules Question n°2 Comment arriver à ces grandes vitesses, des milliers de kilomètres par seconde ? Réponse : On utilise le champ électrique, qui exerce une force sur toutes les particules chargées (électrons, protons...) grâce à de très fortes différences de potentiel.

5 Etude de marché : bien choisir son accélérateur 1. Les accélérateurs circulaires (LEP, LHC, HERA...) : Avantage : on accélère à chaque tour Inconvénient : tourner, ca coûte...

6 Etude de marché : bien choisir son accélérateur (II) 2. Les accélérateurs linéaires (SLAC, TESLA,...) : Avantage : pas de pertes d'énergie dans les tournants Inconvénient : il faut accélérer en une seule fois, et puis les particules sont perdues.

7 Exemple : le LHC Cest un accélérateur circulaire de protons, en construction au CERN, à Genève m sous terre - 27 km de circonférence - 4x20x collisions/s (4 expériences) - 10 ans de fonctionnement prévus, dès Cest le plus grand….

8 Quelques collisions Voilà ce que lon observe dans nos détecteurs…

9 Chapitre 2 : Le pistage, ou comment savoir qu'une particule est passée par là...

10 Trajectographes : tout l'art de regarder sans se faire voir. Un outil merveilleux : les chambres à bulles La méthode moderne : le détecteur électronique En plongeant le détecteur dans un champ magnétique, la trajectoire de la particule est courbée information (impulsion, masse, charge)

11 Calorimétrie : prendre la proie dans un filet Rien ne peut sortir…. Objectif : récolter un maximum de lénergie de la particule Facile pour un électron, mais difficile pour un proton ! Attrappez-les tous !

12 Mesures indirectes : deviner l'invisible 1) les particules instables : 2) les invisibles : Comment « voir » un neutrino (particule invisible) ? par la conservation de limpulsion totale !

13 Chapitre 3 : L'équipement du chasseur de particules

14 On a besoin de mesurer lénergie des particules (calorimètres), De voir leur charge et leur trajectoire (trajectographe et champ magnétique), De déduire autant dinformations que possible (impulsion manquante, produits de désintégration,…) Mais de quoi a-t-on besoin ? Alors seulement, on pourra lidentifier…

15 Le détecteur ALEPH, au LEP

16 Calorimètre hadronique Calorimètre électromagnétique Chambres à muons Trajectographe Toutes les sous-parties sont présentes… … et plongées dans un champ magnétique

17 Le détecteur CMS Lidée est la même, seule la taille change… (et ce nest pas le plus gros)

18 Cest tout ? Non, pour les accélérateurs, il y a aussi dautres détecteurs : CDF, DELPHI, ZEUS, H1, ALICE, LHCb, ATLAS, … Pour les neutrinos, Super-Kamiokande, Ice-cube, Antares, SNO Mais toujours les mêmes principes de détection…

19 Sélection des événements Au LHC (collisionneur de protons), il y aura 4 expériences, dont CMS. En quelques chiffres - 40 MHz (interactions toutes les 25 ns) = ~ ev/s - durée de vie espérée : 10 ans - 1Mo de données par événement : IMPOSSIBLE de tout stocker - besoin de jeter la plupart des données (mais déjà observées dans dautres expériences) ou- besoin de ne garder que ce qui est vraiment intéressant Cest-à-dire : besoin de sélectionner ce que lon veut garder : cest le trigger qui sen charge

20 Chapitre 4 : Reconnaître sa proie.

21 L'électron - Léger Dévié par toutes les collisions et facilement arrêté - Particule chargée Traces visibles dans le trajectographe « gerbe » électromagnétique : une histoire de billard original Arrêt dans le calorimètre électromagnétique

22 Le photon - Interagit très fort avec les électrons : gerbes visibles dans le calorimètre électromagnétique - Particule non chargée Pas de traces visibles dans le trajectographe Rem : le photon, cest la particule de lumière !!!

23 Le muon - Interagit très peu : Discret dans les calorimètres - Particule chargée Traces visibles dans le trajectographe Grand (gros) frère de lélectron Muon = impossible à arrêter Temps de vie = 2ms, mais plus que suffisant !

24 Le tau « Trop » gros frère de lélectron… Temps de vie = s : il meurt tout de suite On le reconnaît par ses produits de désintégration: Muon + neutrino 1 + neutrino 2 Electron + neutrino 1 + neutrino 2 Pion 1 + pion 2 + neutrino

25 Les quarks Particules chargées, mais qui interagissent très fort entre elles ! Les quarks restent entre eux, par 2 ou par 3, et ne sortent jamais seuls. On connaît 6 quarks, qui constituent entre autres les protons, les neutrons, les pions Leurs masses vont de GeV à 175 GeV. Prix Nobel 2004 ! Quand un groupe de quark se sépare, il a tendance à créer des paires de quarks : Il hadronise… Comme ces paires de quarks font de même, on obtient un jet de particules à base de quarks, et autres.

26 Les neutrinos Très très légers Pas de charge électrique pas visibles dans le trajectographe Pas de jets Interagissent très peu On ne les observe pas dans un « petit » détecteur 2 solutions : - détecteurs pharaoniques ou- déductions logiques … et ça rime

27 On récapitule… Qui est qui ?

28 Chapitre 5 : La quête du Graal : le boson de Brout - Englert - Higgs.

29 Ce que lon cherche… Si lon se réfère au modèle standard des particules et de leurs interactions, on a observé toutes les particules décrites... Toutes ? Non… Une particule, rebelle, se fait attendre ! Il sagit du boson de Higgs, qui explique théoriquement lorigine de la masse des particules. Evidemment, limagination des théoriciens a inventé plein dautres particules, dans dautres modèles, mais seule lexpérience aura le dernier mot !

30 Signatures observées dans les détecteurs Selon la masse du Higgs (inconnue), il se désintègrera de préférence en différentes particules… et sera plus ou moins facile à identifier !

31 Autres signatures Autres modes de désintégration possibles…

32 Chercher un µg daiguille dans 10 tonnes de foin Trouver le higgs au LHC, cest isoler quelques événements par jour, quand il y en a par secondes !!!

33 Conclusions La physique des particules, cest des théoriciens bourrés dimagination, des expérimentateurs qui voient grand et qui adorent les ordinateurs… Pour voir linfiniment petit, sans microscope assez puissant, il faut savoir ruser, chercher des infos cachées, voir linvisible et boire beaucoup de café (et manger du chocolat). ~~~FIN~~~

34 Introduction au laboratoire de cet après-midi…

35 Rappel: le boson Z 1973: Découverte des courants neutres dans la diffusion de neutrinos sur des électrons (Gargamelle, CERN) temps espace

36 Rappel: le boson Z Le boson Z a été observé directement en 1983, par le détecteur UA1. Un événement typique comporte deux électrons provenant de la désintégration du Z. q q remplacer le neutrino par un quark retourner le graphe Comment passer d'une mesure indirecte à une mesure directe ?

37 En quoi peut se désintegrer le Z ? Le boson Z est neutre, la charge totale de ses produits de désintégration doit donc être 0. C'est la conservation de la charge. Le Z ne peut pas se désintegrer en deux quarks top, car ceux-ci sont trop lourds. Le Z peut se désintegrer en toutes les sortes de neutrinos, car ceux-ci sont neutres et très légers. C'est la conservation de l'énergie

38 Donnez-moi... e + e -

39 Donnez-moi... m + m -

40 Donnez-moi... t + t -

41 Donnez-moi... qq

42 Notion de largeur En mécanique quantique, la théorie nous dit que l'on ne peut pas mesurer l'énergie et le temps de vie avec une précision infinie : Si on mesure la masse d'une particule, on aura une courbe, et pas un pic infiniment étroit. La courbe est caractérisée par: sa valeur moyenne sa largeur Plus une particule peut se désintégrer en un grand nombre de choses, plus son temps de vie est court, et plus sa largeur est grande.

43 Et alors ??? Cet après-midi, nous allons mesurer cette courbe pour le Z Nous allons regarder des désintégrations du Z Nous allons les classer selon le produit Nous allons compter le nombre d'événements pour différentes énergies Nous allons donc mesurer : la masse du Z la largeur du Z La largeur du Z nous dit en combien de particules différentes le Z peut se désintégrer. Comme nous voyons la plupart d'entre-elles, nous pouvons en déduire le nombre de neutrinos.

44 Largeur et nombre de neutrinos 4 générations 3 générations 2 générations Les données disent qu'il y a 3 familles de particules... nous allons le vérifier.

45 Maintenant, à vous de jouer !


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