Le Large Hadron Collider : la frontière de la Physique des Particules Lorenzo Feligioni

Histoire des Particules Elémentaires : des découvertes étalées sur un siècle – 1898 : Découverte de l’électron par J.J. Thomson : la première particule – 1919 : Découverte du proton (E. Rutherford) – 1923 : Découverte de l’effet Compton (les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des particules) – 1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson) J. J. Thompson Découverte de l’électron

– : Découvertes du neutron, du muon et du pion. – 1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan) – : Découverte de centaines de particules, réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks – 1974 : Découverte d’un nouveau quark (c: résonance J/Psi) – 1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b), et d’une nouvelle famille de quarks. Les pions nouvelles particules dans les rayons cosmiques Découverte de la résonance ϒ Histoire des Particules Elémentaires : des découvertes étalées sur un siècle

Organisation Europeenne pour la recherche nucleaire 1954 : les Européens s'unissent pour la science fondamentale 1957 : le premier accélérateur est mis en service – Le Synchrocyclotron (SC) de 600 MeV, construit en 1957, est le premier accélérateur du CERN : le premier collisionneur proton– proton 1973 : les courants neutres sont révélés : conversion du Supersynchrotron à protons en collisionneur proton– antiproton a 540 GeV : les particules W et Z sont découvertes Désintégration d'un Z0 en un électron et un positon. Découverte de courants neutres dans la chambre à bulles Gargamelle

Pourquoi monter en énergie ? Historiquement, l'exploration de nouveaux domaines d'énergie a souvent mené à de nouvelles découvertes. – Pour avoir accès à des échelles de longueur de plus en plus petites P=10 keV/c λ=0.1 nm  structure de l’atome P=1 GeV/c λ=1 fm  structure du noyau P=100 GeV/c λ=0.01 fm  structure du nucléon – Pour pouvoir créer des particules lourdes, donc très instables Principe des collisions E=mc 2

EGIM 07E. Kajfasz/Y. Arnoud6 En quoi consiste une experience de ph.d.p.? etat initial: particules suffisemment stables et de caracteristiques bien defines detecteurs mesures analyse test modele etat final: particules suffisemment stables pour avoir atteint le detecteur: e, ,K,p,..., jets collision interaction et etats intermediaires accelerateur a tres haute energie: pour sonder la matiere de plus en plus finement, de Broglie: = hc/E pour produire des particules de plus en plus lourdes: E = mc 2

Les détecteurs des particules d’haute énergie Un détecteur typique Le détecteur ALEPH du LEP Le détecteur CMS du LHC.. L’idée est la même, seule la taille change… (et ce n’est pas le plus gros)‏

Les détecteurs des particules d’haute énergie Un détecteur typique Détecteur Interne (Trajectographe) Mesure la charge et l’impulsion des particules chargées. Immergé dans un champ magnétique. Calorimètre électromagnétique: mesure l’ énergie des électrons, positrons et photons Calorimètre hadronique : mesure l’énergie des hadrons: (particules qui contient des quarks), protons, neutrons, pions, etc. Détecteur a muons : mesure la charge et l’impulsion des muons

Les détecteurs des particules d’haute énergie Un détecteur typique L’electron – Léger→Dévié par toutes les collisions et facilement arrêté – Particule chargée: traces visibles dans le trajectographe Le photon – Interagit très fort avec les électrons – gerbes visibles dans le calorimètre électromagnétique – Particule non chargée, pas de traces visibles dans le trajectographe Un électron dans le détecteur

Les détecteurs des particules d’haute énergie Un détecteur typique Les quarks: Particules chargées, mais qui interagissent très fort entre elles 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.

Les détecteurs des particules d’haute énergie Le muon – Grand (gros) frère de l’électron – Muon = impossible à arrêter, temps de vie = 2ms, mais plus que suffisant pour traverser tout le détecteur! – Interagit très peu: Discret dans les calorimètres – Particule chargée : Traces visibles dans le trajectographe Un muon dans la détecteur CMS

Les détecteurs des particules d’haute énergie Le tau – « Trop » gros frère de l’électron… – 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 Quelque pion + neutrino Le neutrino Très très légers : pas de charge électrique pas visibles dans le trajectographe Pas de jets: Interagissent très peu

Le Large Electron Positron collider Le LEP est inauguré le 13 novembre Alep, Delphi, Opal et L3 analysent les Collisions electron-positron Très rapidement, les prédictions surprenantes de la théorie sur la force électrofaible sont confirmées : – existence de particules de masses au repos de 85 et 97 fois celle du proton. – Programme LEP : mesures de précision Le détecteur DELPHI evenement e + e -  Z  μ + μ - ALEPH

Après le LEP: retour vers les collisions des protons au CERN Augmentation de la puissance accélératrice : Il faut 16 fois plus de puissance pour doubler l'énergie des faisceaux ! Changer la masse des particules accélérées : utiliser des protons au lieu d'électrons (m p /m e =2000)  fois moins d'énergie perdue par des protons que par des électrons ! Les électrons sont des particules élémentaires (ponctuelles, sans structure interne) – Calculs théoriques relativement simples et précis – Etat initial parfaitement connu – Interactions relativement simples à comprendre Les protons ont une structure interne encore imparfaitement comprise – Calculs théoriques délicats – Etat initial inconnu (qq,qg,gg) ? Rayonnement du synchrotron Collisions proton-proton Puissance perdue par les particules par rayonnement synchrotron : W≈(E/m) 4 ∙1/r E = énergie du faisceau m = masse de la particule accélérée r = rayon de l’accélérateur

Le Large Hadron Collider

Le LHC en brief LHC situé dans un anneau de 27 km et enterré à 100 m sous terre. – L'anneau utilise le tunnel creusé pour le LEP Collisions proton-proton a l’energie de 14 TeV – L’énergie des protons est transformée au moment du choc en une myriade de particules que les détecteurs de ces quatre expériences observeront avec attention. Quatre points d’interactions sont appelées Atlas, CMS, Alice et LHCb. le but du LHC est rechercher des indices de la supersymétrie, de la matière noire et de l’origine de la masse des particules élémentaires.

Le plus grand accélérateur au monde La plus grande installation supraconductrice du monde : – 1.9 K ( °C), hélium superfluide sur 27 km – 96 tonnes d’Hélium liquide pour refroidissement Vide 10 fois plus poussé que sur la lune 120 MW de consommation électrique – 350 MJ d’énergie par faisceau (~TGV à 200 km/h)! Chaque faisceau est formé d’environ 3000 paquets de protons, chaque paquet contenant jusqu’à 100 milliards de protons – Velocite = 99, % de la vitesse de la lumière – Protons vont effectuer fois le tour de l’accélérateur par seconde. Des scientifiques de quelques 580 instituts et universités du monde entier utilisent les installations du CERN Les premiers aimants du LHC En tout, ~10000 aimants

Le défis technologiques Le LHC est l’accélérateur de tous les superlatifs – les plus hautes énergies jamais atteintes par l’Homme – la plus grande « machine » scientifique jamais réalisée – la plus grosse concentration de chercheurs. Les défis principaux : – Un contrôle des faisceaux extrêmement précis L’énergie stockée dans un faisceau atteint l’équivalent de 60 kg de TNT, ce qui nécessite des systèmes de déviation en urgence ultra rapide – leur champ magnétique doit être monté en moins de 3 microsecondes! – Une usine cryogénique à l’échelle planétaire LHC l’endroit le plus froid de l’Univers, car le vide intersidéral est à 3 K, température du rayonnement cosmologique. – Des cathédrales souterraines les nouveaux puits d’accès et les cavernes. Pour creuser dans les couches humides, on les a congelées en y injectant de la saumure à -23 °C, puis de l’azote liquide à -80 °C. Descente du dernier dipole du LHC

Enjeux scientifiques du LHC Quelle est l’origine de la masse ? – Le modèle standard possède un mécanisme dit « de brisure de symétrie » qui donne la masse aux particules élémentaires que nous connaissons. Pourquoi l’antimatière est-elle si rare ? – Au début du big bang, matière et antimatière étaient en quantités égales mais aujourd’hui l’antimatière semble être très rare. Peut-on comprendre la soupe primordiale de l’Univers ? – Aux premiers instants de l’Univers la température était très élevée et les densités très fortes, le LHC est capable de recréer ces conditions où les particules élémentaires (quarks et gluons) ne sont pas confinées mais se propagent librement dans un nouvel état de la matière que l’on appelle un « plasma de quarks et gluons ». L’effet du champe de Higgs Asymétrie matière antimatière matière ordinaire vs. Plasme quark-gluon

Enjeux scientifiques du LHC Les particules supersymétriques existent-elles ? – symétrie entre les particules élémentaires constituant la matière et les médiateurs des interactions, appelée « supersymétrie », pourraient conduire à cette unification. Qu’est-ce-que la matière noire ? – Grande partie de l’Univers serait constituée d’un type de matière qui n’émet pas de rayonnement électromagnétique, il est appelée « matière noire ». Dans le théories supersymétriques une particule appelée « neutralino » pourrait expliquer l’origine de cette « matière noire ». Notre espace-temps a-t-il plus de quatre dimensions ? – Les grandes théories qui permettent d’aller jusqu’à l’unification de l’interaction gravitationnelle avec toutes les autres s’appuient principalement sur la théorie des « supercordes », mais celle-ci requiert un nombre de dimensions bien supérieur aux quatre de l’espace- temps.

ALICE Alice (A Large Ion Collider Experiment). Ses ambitions : – étudier la « soupe » de quarks et de gluons qui aurait existé, quelques microsecondes après le Big Bang. La soupe de quarks et gluons, un plat qui se mange chaud – chauffer la matière jusqu’à une température fois plus grande que celle qui règne au centre du soleil Un détecteur spécialisé – Le détecteur doit pouvoir séparer les nombreuses particules produites à chaque collision plomb- plomb – jusqu’à , et identifier leur nature. Alice est forte en calcul – Certains événements peuvent contenir des dizaines de milliers de traces. L’experience ALICE Evénement simulé d’ALICE

LHCb Large Hadron Collider beauty experiment). Ses ambitions : – l’étude de l’asymétrie matière - antimatière en traquant spécifiquement les particules contenant un quark b. – Pourquoi l’Univers est constitué exclusivement de matière, alors qu’à sa naissance matière et antimatière étaient présentes à parts égales. Un détecteur sur mesure – LHCb : capable de comparer la matière et l’anti- matière avec une précision inégalée. Un VELO près du faisceau – Les particules dites de « beauté » ont une durée de vie importante à l’échelle des particules : elles vont parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer. – VELO (VErtex LOcator) installé au voisinage du point de collision. A 1,6 cm du faisceau, c’est le sous- détecteur le plus près des collisions de tout le LHC ! L’experience LHCb détecteur LHCb : « petit angle ».

CMS CMS (Compact Muon Solenoid). Ses ambitions : – découvrir des nouvelles particules élémentaires comme le boson de Higgs – trouver des particules supersymétriques ou mettre en évidence des dimensions supplémentaires de l’espace. Un « poids lourd » de technologie – Long de 21,5 mètres, d’un diamètre de 15 mètres, et d’une masse de tonnes. Un montage original – Le plus lourd pèse tonnes, soit l’équivalent de cinq avions gros porteurs. Une fois l’assemblage terminé, les éléments ont été déplacés grâce à un système de coussin d’air, et pour la descente on a utilisé le même type de grue qui a servi à assembler l’Airbus A380.

ATLAS Autour d’un des quatre points de collisions du LHC se trouve le détecteur géant Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS). Ses ambitions : – découvrir des nouvelles particules élémentaires…Les mêmes que CMS! Une anatomie hors norme – Haut comme un immeuble de six étages. Sa caverne pourrait contenir la nef de Notre Dame de Paris. Un détecteur aux multiples talents – Aux énergies atteintes par le LHC, on pourra étudier en détail la description actuelle de la physique des particules, le Modèle Standard Plus de détails dans un moment! H → ZZ* → eeμμ decay (m H = 130 GeV)

LHC : la prise des données Depuis le 20 novembre, des faisceaux de protons circulent dans le LHC Le 23 novembre, premières collisions entre protons – À une énergie d’abord basse: phase de rodage! – Puis à une énergie plus élevée (2.4TeV) le 08/2009 décembre record du monde En 2010, collisions à plus haute énergie – Mais pas encore la puissance maximale… Puis, augmentation de la puissance – Pour prendre des données pendant plusieurs années (une dizaine!)

Des milliards de données Le LHC : une quantité de données informatiques phénoménale : – 15 millions de milliards d’octets par an, soit l’équivalent de millions de CDs ! – Pour traiter toutes ces données, processeurs informatiques actuels sont nécessaires. La grille est un service permettant le partage de la puissance informatique et de la capacité de stockage sur l’internet. Son objectif ultime : – Transformer le réseau mondial des ordinateurs en une ressource immense et unique de capacité de traitement, notamment au service du projet LHC. – Mise en commun des ressources mondiales (calcul + stockage) – Autres applications (observation de la Terre, prévisions climatiques,recherche pharmaceutique, …)

Les retombées scientifiques La physique des particules comme frontière de l’innovation : – La mécanique quantique  GPS, laser, … – Rayons X, l’anti-matière  L’imagerie médicale… Jamais possible de cerner les implications d’une découverte fondamentale Technologies avancées en électronique, mécanique, informatique, … – Exemple: le partage d’informations entre scientifiques dans les années 90 le Web! PET scan World Wide Web

spares

Le Modele Standard Le modèle standard de la physique des particules est la théorie qui décrit la structure ultime de la matière – particules de matière  fermions, – particules médiatrices des forces  les bosons. Trois familles de particules de matière, chaque famille : – deux quarks, (composants des noyaux atomiques) – deux leptons, l’un chargé (comme l’électron ou le muon) et son neutrino associé. – Toutes les particules de matière ont également un équivalent en antimatière, une forme de matière en quelque sorte « inversée », qui a des caractéristiques, comme la charge, inversées. Les quatre interactions  bosons "intermédiaires" : – photon pour l’interaction électromagnétique, – les W et Z pour l’interaction nucléaire faible, – les gluons pour l’interaction nucléaire forte. – La gravitation est véhiculée par le graviton, mais ne peut être décrite dans le formalisme quantique actuel. Le modèle standard fait également appel à un certain nombre de paramètres définissant les couplages entre ces différentes particules. – Seuls les quarks ne sont jamais observés directement, mais toujours par assemblage

La construction d’ATLAS au CPPM: Calorimètre

La construction d’ATLAS au CPPM: trajectograph