RAP 2010 Dominique Boutigny Le LHC Un pont vers le Cosmos

La physique des particules Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière d’interagir Identifier les composants ultimes de la matière Comprendre comment la complexité a pu émerger à partir des briques de base Formuler et comprendre les lois fondamentales qui régissent notre univers  Lien avec la cosmologie Photo: Point de Vue - http://hors-champ.blogspot.com

Les briques élémentaires Famille des leptons électron e muon m tau t neutrino e neutrino m neutrino t Un proton Famille des quarks up charm top down strange bottom Les médiateurs des forces e Force Médiateur électromagnétisme Photon g faible W+, W-, Z forte gluons (8) gravitation graviton (?) g e

Des collisions pour sonder la matière Proton Particule incidente Plus l’énergie de la particule incidente est grande, plus elle va sonder des échelles minuscules Toutefois l’image du faisceau de particules qui casse la matière en constituants plus petits est assez trompeuse Les grands collisionneurs de particules sont plutôt des convertisseurs de matière en énergie et d’énergie en matière Collision  conversion de la matière en énergie ( E = mc2) Re-matérialisation de l’énergie en de multiples particules

Le LHC – Un accélérateur géant LHC = Large Hadron Collider Le LHC est construit dans un tunnel de 27 km de circonférence installé à 100 m sous terre au CERN près de Genève Deux faisceaux de protons tournant en sens inverse Collisions dans 4 zones d’expériences Énergie prévue: 14 TeV Coût de la machine: ~3 milliards d’€ 14 TeV: soit 7 fois l’énergie de l’accélérateur américain de Fermilab en cours d’exploitation

LHC et Big Bang L’image selon laquelle le LHC recrée un mini Big Bang est fausse (heureusement !) Le LHC recrée des conditions d’énergie qui ont existé peu de temps après le Big Bang, le LHC permet donc de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au tout début de l’univers Plus l’énergie est élevée plus on se rapproche du Big Bang Schéma: © CERN

14 TeV – Ça représente quoi ? 1 TeV = l’énergie d’un moustique en vol ! L’énergie disponible lors d’une collision est donc équivalente à celle de 14 moustiques en vol ! C’est la concentration de cette énergie dans un volume minuscule qui est grande Pour réaliser ces collisions, l’énergie stockée dans les faisceaux est énorme : 2 TGV qui fonçent l’un vers l’autre ! Suffisamment pour faire fondre 500 kg de cuivre Chaque aimant est alimenté par un courant de 10 000 Ampères  Ceci nécessite quelques précautions !

Le LHC est entièrement supraconducteur – Il fonctionne à la température de l’Hélium superfluide: 1.9 K Ce qui nécessite aussi quelques précautions !

Incident du 19 septembre 2008 En raison d’une mauvaise connexion entre deux aimants, un arc électrique perce l’enceinte d’Hélium et créé un stress mécanique majeur Il faut réaliser la complexité de l’appareillage: 9300 aimants supraconducteurs et des dizaines de milliers de connexions

Situation du LHC aujourd’hui Après 1 an d’intense travail, le LHC est réparé Remise en service fin 2009 mais énergie limitée à 7 TeV Programme: montée progressive en intensité 2 ans de physique à 7 TeV Arrêt d’un an pour finaliser les modifications sur la machine Fonctionnement à 14 TeV Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010 … mais à intensité réduite

CMS ATLAS ATLAS LHCb

Le LHC, pour comprendre quoi? Comme tous les collisionneurs à protons, le LHC est une machine de découverte, faite pour explorer des domaines d’énergie totalement nouveaux Plusieurs arguments de physique laissent penser que des phénomènes nouveaux doivent se manifester aux énergies du LHC La masse Comment les particules élémentaires acquièrent-elles une masse ? L’asymétrie entre la matière et l’antimatière: Pourquoi l’antimatière est-elle apparemment absente de l’univers ? Le problème de la matière noire et de l’énergie noire: La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité d’énergie de l’univers – De quoi sont constitués les 96% restants ? Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ? Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière !

La masse Le mécanisme de Higgs L’assemblée d’astronomes amateurs … … représente le champ de Higgs Illustration CERN d’après une idée de David J. Miller, Physics and Astronomy, University College London. 

Une astronome célèbre rentre… c’est notre particule … tout le monde se presse autour d’elle et elle a du mal à fendre la foule Le champ de Higgs (les astronomes amateurs) se comporte comme un fluide visqueux Une fois arrêtée l’astronome célèbre a du mal à se remettre en mouvement Elle acquiert une inertie ≡ masse Le champ de Higgs est présent partout dans le vide

Le boson de Higgs est comme une rumeur … … « Betelgeuse vient d’exploser … »

La rumeur se propage de proche en proche, entrainant l’apparition de groupes d’astronomes amateurs commentant la nouvelle … La rumeur se comporte comme une particule acquérant une masse dans le champ de Higgs, c’est l’analogue du boson de Higgs Le boson de Higgs est une excitation du champ de Higgs L’énergie du LHC devrait être suffisante pour observer cette excitation

Simulation d’une collision engendrant la production d’un boson de Higgs Il y a d’autres signatures possibles Celle-ci est l’une des plus « simple » à reconnaître Il faut tout de même en trouver plusieurs de ce type au milieu de millions de collisions

Dimensions supplémentaires Idée: La gravitation « verrait » des dimensions supplémentaires au-delà des 3 dans lesquelles nous évoluons La gravitation est difficilement compatible avec la mécanique quantique qui marche pourtant très bien avec les autres forces L’unification de la gravitation avec les autres forces nécessite des espaces à 10 ou 11 dimensions  Théorie des cordes par exemple

Dimensions supplémentaires La funambule ne perçoit qu’une seule dimension le long de la corde La puce peut se déplacer dans deux dimensions L’une des dimensions est spatialement peu étendue et repliée Nous ne percevons que 3 dimensions spatiales – la gravitation (la puce) est sensible aux autres

Possibilités pour le LHC Des effets dus aux dimensions supplémentaires pourraient être perçus au LHC Production d’un graviton qui se propage dans une dimension supplémentaire Production d’un micro trou noir qui s’évapore instantanément On observerait un déficit d’énergie dans le détecteur D’autres signatures existent Ces découvertes pourraient être faites peu de temps après le démarrage du LHC

Matière noire supersymétrique La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrie Les lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes Invariance temporelle de la physique Conservation de l’énergie Mondes des bosons Spin entier Les particules qui transportent les forces sont des bosons (photons – gluons …) Monde des fermions Spin ½ entier Les particules de matière standards sont des fermions électrons – quarks –neutrinos … SUSY A chaque fermion est associé un boson et à chaque boson est associé un fermion  Partenaires supersymétriques

Matière noire supersymétrique Les particules supersymétriques se désintègrent en donnant d’autres particules supersymétriques sauf la plus légère qui est stable Elle possède une masse mais n’interagit pas avec la matière ordinaire © ESA / NASA Cette particule est un excellent candidat pour expliquer la matière noire dans l’univers Cette théorie est très élégante et permet de résoudre quelques « petits » problèmes du modèle standard de la physique des particules SUSY prédit l’existence d’autres bosons de Higgs que le LHC pourrait détecter

Le LHC et l’Énergie Noire Cosmologie Physique des particules L’énergie noire qui domine l’évolution de l’univers est probablement liée à la structure du vide quantique ? Le vide est rempli par le champ de Higgs qui donne sa masse aux particules La tentation est grande de lier les deux « Petit » problème: L’énergie du vide de la physique des particules est 10120 fois trop grande pour expliquer l’énergie noire ! Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à l’énergie noire C’est probablement l’un des plus grand problème de la physique actuelle et le LHC pourrait fournir quelques indices

A quoi faut-il s’attendre dans les prochaines années Le LHC est une machine extrêmement complexe faisant intervenir de très nombreux éléments actifs. La montée en intensité va être prudente et progressive… Le LHC va fonctionner à la moitié de l’énergie nominale pendant 2 ans qui seront suivis par un an de travaux d’amélioration Il y a très peu de chance que le Higgs soit découvert avant 5 ans ! Par contre d’autres découvertes peuvent être faites si dame Nature est généreuse  La physique des particules modernes est une école de patience Le LHC représente également une aventure humaine exceptionnelle

Pour aller plus loin… Site grand public du LHC au CERN : http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html Le guide du LHC : http://cdsweb.cern.ch/record/1164451/files/CERN-Brochure-2009-003-Fre.pdf Visualiser l’état de fonctionnement du LHC en direct : http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1 Le CERN sur Twitter : http://twitter.com/CERN Le site web du satellite Planck avec des explications en français sur la cosmologie : http://public.planck.fr/ Un article de Richard Taillet sur la matière noire : http://wwwlapp.in2p3.fr/~taillet/dossier_matiere_noire/matiere_noire.php