Introduction à la physique du LHC

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1 Introduction à la physique du LHC

2 Introduction à la physique du LHC Les interactions fondamentales :
Le Higgs ou le mystère de la masse Les interactions fondamentales : L'interaction gravitationnelle : Responsable de la pesanteur, des marées ou encore des phénomènes astronomiques. L'interaction électromagnétique : Responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques. L'interaction forte : Responsable de la cohésion des noyaux atomiques. L'interaction faible : Responsable de la désintégration de nombreuses particules.

3 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Les particules élémentaires de matière stable : u : quark up d : quark down proton neutron Avec les électrons, les quarks « up » et « down » forment les constituants élémentaires de la matière stable. Les quarks ne peuvent jamais être libres car l’interaction entre quarks augmente avec la distance.

4 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse La notion d’échange : Interaction à distance entre les deux barques par échange d’une boule. De même, en physique des particules : Exemple de l’échange d'un photon entre deux électrons. Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule : Vecteur de l’interaction.

5 Introduction à la physique du LHC Echange de couleur dans le nucléon :
Le Higgs ou le mystère de la masse Echange de couleur dans le nucléon : L’interaction forte entre quarks est due aux charges de couleur des quarks. Échanges de gluons entre quarks.

6 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Graviton ? Gravitationnelle Bosons Z 0 W+ W- ~ 10-5 Faible Photon ~ 10-3 Electro- magnetique 8 gluons 1 Forte Vecteur Intensité Interaction ~ 10-38 Portée fm 1/100 fm Masse nulle Masse nulle Masse !!! Masse nulle

7 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Que dit la théorie ? D’après le modèle standard, tous les vecteurs devraient être sans masse. Pourquoi les vecteurs de l’interaction faible sont-ils massifs ? Les vecteurs de l’interaction faible interagiraient avec ce champ en avançant dans l’espace comme dans une « mélasse épaisse ». Il existerait un champ qui emplirait tout l’espace, le champ de Higgs auquel est associée une particule : le boson de Higgs. Masse

8 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Les particules élémentaires interagiraient avec le champ de Higgs. Mécanisme de Higgs donnant une masse aux particules. La masse des électrons et des quarks serait une manifestation des interactions avec le champ de Higgs dans lequel ils « baignent ».

9 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Vue schématique du LHC

10 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Les résultats des expériences ATLAS et CMS Évènement qui pourrait être la désintégration d’un boson de Higgs en quatre électrons. Évènement qui pourrait être la désintégration d’un  boson de Higgs en deux photons (lignes vertes).

11 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Juillet 2011 Higgs g + g CMS La probabilité d’obtenir un tel signal sans particule supplémentaire est d’environ un sur trois millions. Une nouvelle particule est observée avec une masse de 125 GeV dans les expériences ATLAS et CMS. Cette particule est compatible avec l’hypothèse du boson de Higgs du modèle standard.

12 Introduction à la physique du LHC Les états de la matière :
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Les états de la matière : Exemple de l’eau Température Plasma quark-gluon : Milieu déconfiné de quarks et de gluons. Température d'environ fois celle régnant à l'intérieur du Soleil. Matière nucléaire

13 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ? Plasma quark-gluon Big-bang Temps : seconde Taille : 10 cm Température : 1028 K Intérêt en cosmologie : état de l’univers 10-6s après le Big-Bang. Temps : 15 milliards d’années (aujourd’hui)

14 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ? Etoile qui explose Etoile à neutrons Supernovae Diamètre = 15 km Masse ~ soleil Intérêt astrophysique : cœur des étoiles à neutrons ? Plasma quark-gluon ?

15 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Recréer le plasma quark-gluon en laboratoire : refaisons le chemin en sens inverse Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons Comment ?

16 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Le mini Big Bang 1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale. 2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons. 3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte. 4. Le système se dilue et se refroidit. 5. Quarks et gluons condensent pour former par exemple des nucléons.

17 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Vue schématique du LHC

18 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers L’expérience ALICE au LHC

19 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Collisions d’ions lourds relativistes : Collisions plomb-plomb au LHC. Pour extraire des informations sur le plasma quark-gluon, on procède à des comparaisons de collisions plomb-plomb et proton-proton, dans les mêmes conditions d’énergie.

20 Introduction à la physique du LHC A quoi faut-il s’attendre ?
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers A quoi faut-il s’attendre ? Une collision : Pb+Pb à 5.5 TeV 60 << 62

21 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Yerevan CERN Saclay Lyon Dubna Capetown, ZA Birmingham Cagliari NIKHEF GSI Catania Bologna Torino Padova IRB Kolkata, India OSU/OSC LBL/NERSC Merida Bari Nantes Stocker les données à travers le monde : 1,2 Go/s (2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD de 4 Km).

22 Introduction à la physique du LHC
Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Juste pour rire … Imaginons notre terre gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines conditions de température, sous forme liquide ; La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns contre les autres; Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur Mars… En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC.

23 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Découverte de l’antimatière : Deux solutions pour l’énergie d’une particule de masse M au repos. Dirac invente l’antiélectron en 1930. électron e–  e+ positron E = +M c 2 E = -M c 2 1932 : Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques. Plomb

24 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Caractéristiques de l’antimatière : électron e– proton p+ neutron n e+ positron antiproton antineutron Anti-matière Matière p– n Même masse, même durée de vie, charge opposée. L’USS Enterprise de Star Trek fonctionne à l’antimatière.

25 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Comment fabriquer de l’antimatière : Matérialisation Collision  énergie  matière + antimatière Exemple : p + p  p + p + p + p Annihilation e– + e+  2 g p   des g p Que devient l’antimatière : matière + antimatière  énergie  g Exemples :

26 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière De l’énergie avec l’antimatière ? O2 chimique H2O 1 H2 235U 30 000 fission He d fusion p annihilation

27 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Où est passée l’antimatière dans l’univers ?

28 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Où est passée l’antimatière dans l’univers ? Une dissymétrie matière-antimatière pourrait permettre d’expliquer cette disparition. Production d’un léger déséquilibre : protons ou neutrons… antiprotons ou antineutrons… A. Sakharov

29 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Une dissymétrie matière-antimatière : K0 K0 En fonction du temps, on peut comparer : matière  antimatière : K0  K0 antimatière  matière : La matière l’emporte sur l’antimatière. t AT Asymétrie AT = 0,0066 ± 0,0013stat ± 0,0010syst K0  K0

30 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Vue schématique du LHC

31 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Le but de LHCb est d’étudier la physique des particules contenant des quarks b et antiquarks b. Comprendre la disparition de l’antimatière dans l’univers. Rechercher des phénomènes encore inobservés. Les particules étant émises dans des directions voisines du faisceau, le détecteur LHCb est spécialement conçu pour les observer. Première mise en évidence de la désintégration très rare de mésons B°s en paires de muons. Novembre 2012

32 Introduction à la physique du LHC
Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Juste pour rire … Si un extraterrestre venait !!! Malgré sa gentillesse apparente, ne pas l’inviter sans : Vérifier qu’il ne vient pas d’un monde d’antimatière ! Car sinon :

33 L'être humain est une entité infiniment complexe qui essaie de se situer entre l'infiniment petit et l'infiniment grand.