MasterClass 2017 LAPP, Annecy-Le-Vieux La physique des particules dans ATLAS http://atlas.cern http://lapp.in2p3.fr/atlas Stéphane Jézéquel

Le Modèle Standard Toutes ces particules sont produites au LHC sauf graviton La plupart se désintègrent immédiatement

Mais il reste des questions.... Où est la matière invisible (95%) ? Et quelle est sa véritable nature ? Où est la matière invisible (95%) ? Et quelle est sa véritable nature ?

La réponse est-elle au cœur des particules ? Le Modèle Standard Nouvelles particules ? Quel modèle ? La matière manquante dans l'Univers ? Comment créer ces nouvelles particules ? (si elles existent)

Albert Einstein a dit... Pour créer de la masse, il faut de l'énergie

? Une collision désintégration secondaire Transformation de l'énergie en masse Apparition de nouvelles particules ?

Effet de la mécanique quantique en physique des particules Travail avec des probabilités Les particules produites dans une collision sont toutes différentes mais suivent des lois de probabilités Exemple au LHC en 2016: Production d'au moins 1 Higgs dans une collision : ~10-8 Production d'au mojns 2 Higgs : 10-11 Les particules instables peuvent se désintégrer de plusieurs manières

Comment retrouver la particule de départ ? M > m1+ m2 = + énergie totale mouvement masse Pour reconstruire la masse des particules désintégrées, il faut mesurer l'énergie et la masse de toutes les particules produites lors de la collision

Histogramme et mesure Une mesure est toujours entachée d'incertitude : Précision de l'instrument de mesure Calibration de l'instrument Erreur de manipulation Pour limiter ces erreurs, il faut : Faire un grand nombre de mesures Utiliser des objets connus pour calibrer notre instrument Si possible, réaliser la même mesure plusieurs fois avec des instruments différents Masse [GeV] Nombre de mesures

Distribution de masse des particules au LHC (3 GeV) (10 GeV) (91 GeV) ? Distributions de la masse de paires de muon-antimuon

Les collisions de protons

L'accélérateur LHC Deux faisceaux de protons circulent en sens opposés dans le tunnel Lancés à 99,9999991 % de la vitesse de la lumière Chaque paquet de protons fait 11 000 fois le tour du LHC en 1 seconde ! 10 heures : Parcourt équivalent aller-retour Soleil-Neptune Énergie de chaque proton = 7 TeV = 7500 fois sa masse = énergie d'un moustique en vol 100 milliards de protons par paquet = 100 milliards de moustique soit l'énergie d'un TGV à 150 km/h... concentré dans une tête d'épingle

Le Détecteur ATLAS Diamètre: 25 m (un immeuble de 7 étages) Longueur: 46 m (une piscine olympique) Poids: 7000 tonnes (la Tour Eiffel) Ceci est un bonhomme à l'échelle 3000 km de câbles (distance Paris - Athènes) 100 millions de canaux (photo de 10 000 x 10 000 pixels) 3000 physiciens et ingénieurs

Exemple de reconstruction (facile !): le J/Y en deux électrons Signal = une particule qui s'est désintégrée en deux électrons Bruit de fond = deux électrons produits indépendamment Masse = 3 GeV Masse proton : 0.94 GeV Masse electron : 5.10-4 GeV

Chercher le J/y, le Z... puis le reste Avant de rechercher de nouvelles particules inconnues, il faut d'abord s'assurer que notre détecteur est correctement calibré. Pour cela, il faut commencer par identifier les particules connues, et mesurer leurs propriétés avec précision. Par exemple : le boson Z, dont la masse est parfaitement mesurée : 91.187 GeV Le boson Z a une durée de vie très courte ( 3.10-25 secondes). Il est instable et se désintègre : Le boson Z est invisible. Seuls les produits de sa désintégration (électrons ou muons) laisseront une trace dans notre détecteur.

Un exemple beaucoup plus difficile: le boson de Higgs en deux photons mgg Masse du Higgs ~125 GeV (x130 masse proton)

Effet de la mécanique quantique Fluctuations se lissent avec augmentation du nombre d'événements

Un autre canal de détection : H → ZZ → 4 letons (e/m) m4l Premières mesures compatibles avec les prédictions du Boson de Higgs de masse égale à ~125 GeV (masse proton : ~1 GeV)

Observation simultanée par CMS : Mesure indépendante Observation de la même particule par CMS → 'Découverte'

L'annonce de la découverte 4 juillet 2012

Comment le boson de Higgs «génère» la masse Pendant très longtemps, les physiciens ont pensé que la masse était une propriété intrinsèque des particules → Cela veut dire que la masse est portée par les particules elles-mêmes (exactement comme leur charge électrique) Mais : les équations du Modèle Standard nous disent que les particules sont sans masse ! La théorie de Peter Higgs résout le problème : les particules n'ont pas de masse c'est l' interaction des particules avec le champ de Higgs qui leur donne une masse apparente

Est ce toujours le boson de Higgs ? Programme actuel : Etudier d'autres propriétés du boson de Higgs Améliorer la précision des mesures Aucune incohérence observée avec la précision actuelle des mesures → Toute incohérence serait un signe avant coureur de l'existence de nouvelles particules

D'autres particules produites au LHC ?

Recherche de particules exotiques? 49 modèles de nouvelle physique testés : Aucun signal

Recherche de particules supersymétriques? 51 modèles de nouvelle physique testés : Aucun signal

Il faut un très gros accélérateur Le LHC Collisionneur de protons à haute énergie - Tunnel de 27 km de circonférence - 1626 aimants supraconducteurs refroidis à -271° C - Accélération de protons (noyaux d'hydrogène) à une vitesse proche de celle de la lumière - 4 expériences pour observer les collisions LHCb CMS ATLAS ALICE

Consommation électrique - Accelérer des particules → champs électriques - CERN consomme ~200 MW d'électricité lorsque LHC fonctionne (consommation du canton de Genève) - Pour réduire la consommation, maximise l'utilisation de câbles supraconducteurs (1.9 K) → Utilisation technologie de pointe

Applications accélérateurs/détecteurs ? 1993 : Serveur Web et navigateur internet Années 70  : Ecran tactile capacitif Imagerie médicale (tomographie à positrons)

Programme LHC (2010-2037) En 2017 : On a collecté 30 fb-1 avec une énergie de collision de 13 TeV Jusqu'en 2037 : Collecté 100 fois plus de collisions à 14 TeV → Mesures 10 fois plus précises qu'aujourd'hui → mesurer possibles incohérences du Modèle Standard (Higgs,..) → découvrir la bonne théorie qui explique la matière (= avancer dans la compréhension de la Physique)

Conclusion Boson de Higgs : Première découverte majeure du LHC et des expériences ATLAS/CMS Programme prévu encore pour les 20 prochaines années → Il y aura probablement de nouvelles découvertes Pour tirer le meilleur parti cette grande quantitités collisions, il faudra amener de nouvelles idées/techniques : Changer des parties du détecteur et du traitement des données Nouveaux algorithmes d'analyse des données Votre génération apportera sa pierre à ce projet (industrie ou laboratoire)

Une communauté mondiale pour tout faire fonctionner : le CERN Fondé en 1954 à Genève pour reconstruire une communauté scientifique européenne détruite après la seconde guerre mondiale 20 états membres contribuent au budget (accélerateurs et frais de fonctionnement) Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République Slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède,Suisse 30 états non-membres participent aux quatres expériences du LHC Afrique du Sud, Algérie, Argentine, Arménie, Australie, Azerbaïdjan, Bélarus, Brésil, Canada, Chine, Chypre, Croatie, Estonie, Géorgie, Inde, Iran, Irlande, Islande, Maroc, Mexique, Pakistan, Pérou, Roumanie, Serbie, Slovénie, Corée du Sud,Taiwan, Ukraine 10 000 visiteurs 608 instituts 113 nationalités 31

Invention du Web au CERN 1989 : Idée du Web : T. Berner-Lee: Permettre aux chercheurs du monde entier de partager des informations 1990 : Premier démonstrateur 1991 : Premier serveur hors Europe 32

Peter Higgs et son boson/champs Aussi Francois Englert et Robert Brout (physiciens théoriciens belges)

Programme LHC (2011-2016) 2011-2012 : 8 TeV 2015-2018 : 13 TeV Augmente probabilité de produire nouvelles particules