Le LHC au CERN : produire des particules pour les étudier

Le modèle standard de la physique des particules International master classes - Mars 2017 Le modèle standard de la physique des particules En toute modestie : De quoi l’Univers est-il fait? Comment la nature fonctionne-t-elle? Au niveau des constituants élémentaires. Avec un petit nombre de briques élémentaires, constituants et lois et donc un modèle.

Evolution de la notion de « brique élémentaire » International master classes - Mars 2017 Evolution de la notion de « brique élémentaire »

Démarche scientifique International master classes - Mars 2017 Démarche scientifique Objets physiques observés, mesurés Principes, lois Prédictions théoriques Observations expérimentales Concept intuitif, c’est une permanence dans un changement donc une loi de conservation Contient de l’information donc descriptif Depuis le milieu des années 50, outil de construction des modèles théoriques Allers & retours!

Construction des modèles International master classes - Mars 2017 Construction des modèles ℒ=− 1 4 𝑾 𝜇𝜈 ∙ 𝑾 𝜇𝜈 − 1 4 𝐵 𝜇𝜈 ∙ 𝐵 𝜇𝜈 + 𝐿 𝛾 𝜇 𝑖 𝜕 𝜇 −𝑔 1 2 𝜏∙ 𝑊 𝜇 − 𝑔 ′ 𝑌 2 𝐵 𝜇 𝐿+ 𝑅 𝛾 𝜇 𝑖 𝜕 𝜇 − 𝑔 ′ 𝑌 2 𝐵 𝜇 𝑅+ 𝑖 𝜕 𝜇 −𝑔 1 2 𝜏∙ 𝑊 𝜇 − 𝑔 ′ 𝑌 2 𝐵 𝜇 𝜙 2 −𝑉 𝜙 − 𝐺 1 𝐿 𝜙𝑅+ 𝐺 2 𝐿 𝜙 𝑐 𝑅+ℎ.𝑐. −𝑔 𝑞 𝛾 𝜇 𝑇 𝑎 𝑞 𝐺 𝜇 𝑎 − 1 4 𝐺 𝜇𝜈 𝑎 𝐺 𝑎 𝜇𝜈 Objets physiques observés, mesurés Principes, lois Prédictions théoriques Observations expérimentales Concept intuitif, c’est une permanence dans un changement donc une loi de conservation Contient de l’information donc descriptif Depuis le milieu des années 50, outil de construction des modèles théoriques Allers & retours! « Les mathématiques sont le langage de l’univers. »

International master classes - Mars 2017 Le modèle standard Après des dizaines d’années d’aller-retour théorie/expérience : Les particules de matière (fermions) : 12 constituants élémentaires (et les antiparticules correspondantes) Ont tous été observés expérimentalement Les interactions : les particules interagissent en échangeant un messager, caractéristique de l’interaction, un boson médiateur : Vue par les physiciens :

Interaction gravitationnelle : International master classes - Mars 2017 A 10-18 m 1 0,8 25 10-41 Quatre interactions : Electromagnétisme : Phénomènes électriques et magnétiques Le messager : le photon Les particules concernées : celles qui ont une charge électrique Interaction faible : Désintégration , radioactivités Messager : les bosons W+, W-, Z0 Particules concernées : tous les fermions Interaction forte : Cohésion de la matière nucléaire dans les noyaux et des quarks dans les nucléons Messager : les huit gluons Particules concernées : les quarks et les gluons Interaction gravitationnelle : Peut-être un graviton messager Difficile à étudier avec des particules de masses si faibles (masse du proton 1GeV = 1.79 x 10-27 kg!!!)

International master classes - Mars 2017 En bref Pour expliquer tout l’Univers connu, seulement 18 particules !! Trois catégories : Brique élémentaire de matière Médiateur d’interaction* Masse inertielle

Le modèle standard Calculs versus mesures H International master classes - Mars 2017 Le modèle standard H Calculs versus mesures

Les questions en suspens International master classes - Mars 2017 Les questions en suspens Extraordinairement prédictif Permet d’expliquer tous les phénomènes observés impliquant des particules mais... Matière noire ? Energie noire ? Valeur des paramètres ? Il doit y avoir autre chose ....

Le boulot d’expérimentateur International master classes - Mars 2017 Le boulot d’expérimentateur Dans ce cadre Chercher la nouvelle physique directement : chercher à observer de nouvelles particules, ou indirectement : chercher où le modèle s’écarte de l’observation. Faire des mesures de précision ! Les questions posées sont par exemple : de quoi est constitué le proton ? est-ce que le boson de Higgs existe ? Dans tous les cas : imaginer des expériences de physique des particules pour y répondre et donc créer et utiliser les outils nécessaires pour produire et observer les particules.

Le Large Hadron Collider au CERN International master classes - Mars 2017 Le Large Hadron Collider au CERN Créer des particules instables pour les étudier

Produire des particules International master classes - Mars 2017 Produire des particules E mc² mc² Les particules peuvent être « instables ». Il faut les produire. E=mc² : particules  énergie. Energies de masse et cinétique  accélération. Collisions de particules  d’autres particules. Le modèle permet de calculer ce qui va être produit et dans quelles proportions. Il existe fort heureusement des particules stables (je ne parle pas de leur caractère mais du fait qu’elles ne se désintègrent pas), celles qui nous composent (e, p et n dans le noyau). La grande majorité est instable, ce qui veut dire qu’il faut les créer et qu’une fois créées, elles se désintègrent en un temps souvent extraordinairement court en d’autres particules. Pour créer ces particules, on utilise ce qui est résumé dans la célèbre formule d’AE : équivalence énergie/masse i.e. particules.

Design d’un collisionneur de particules International master classes - Mars 2017 Design d’un collisionneur de particules On utilise la force de Lorentz. Champ électrique : Dans un champ électrique 𝐸 les particules chargées, de charge q subissent une force 𝐹 =𝑞 𝑬 et acquièrent une énergie qU où U est la différence de potentiel. Grandes énergies = beaucoup de cavités accélératrices donc on fait tourner les particules dans un anneau pour qu’elles passent à chaque tour dans les mêmes cavités. U 𝐸

Design d’un collisionneur de particules International master classes - Mars 2017 Design d’un collisionneur de particules Champ magnétique : Quand on fait circuler un courant (donc des particules chargées) en boucle on crée un champ magnétique. A l’inverse : quand des particules chargées qui circulent en ligne droite traversent un champ magnétique, leur trajectoire est courbée. On pilote ainsi la trajectoire des particules. + - 𝐵

Design d’un collisionneur de particules International master classes - Mars 2017 Design d’un collisionneur de particules On accélère des particules faciles à produire ou à récupérer (ex. proton i.e. noyau d’hydrogène) u d

LHC Large (27kmde circ.) Hadron (protons) Collider (collisionneur) International master classes - Mars 2017 Large (27kmde circ.) Hadron (protons) Collider (collisionneur)

Une machine exceptionnelle : aimants & cryogénie International master classes - Mars 2017 Une machine exceptionnelle : aimants & cryogénie La circonférence du LHC est de 26 659 m et la machine contient 9300 aimants dont 1232 dipôles, le plus gros défi à relever (14.3m et 35t par dipôle = 18 km de dipôles sur les 27 km de LHC) Caractéristiques Supraconducteurs (à cause de RI²) : NbTi température de transition 10K utilisé à 1.9K  champs de 8.33T Bobinage 1 câble (Ø1.5cm) = 36 brins torsadés (Ø15mm) 1 brin = 6400 filaments (Ø 7μm) 7600km de câbles = en brins 5 AR Terre-Soleil plus quelques AR Terre-Lune ! Cryogénie: Le plus gros frigo du monde: 40000t de matériel à 1.9K (120t d’He superfluide) Un des endroits les plus froids de l’univers

vide & faisceaux Une machine exceptionnelle : International master classes - Mars 2017 Une machine exceptionnelle : vide & faisceaux L’espace le plus vide du système solaire Ultravide 10-13 atm sur 27 km de circonférence! Les faisceaux: 2808 paquets de ~ 1011 protons de qques cm de long et 1mm de large sauf aux points de collision alors 16μm (1/4 de cheveux humain!), 11245 tours par seconde. Petit calcul : 11245x27kmx3600s> 1 milliard de km en 1 heure!!!! Des trillions de protons, lancés à 99,9999991% de la vitesse de la lumière à « cornaquer »!

Et ça marche! Très bien même! International master classes - Mars 2017 Et ça marche! Très bien même! Le 20/11/2009, le faisceau 1 puis le 2 circulent dans le LHC. Les 4 détecteurs peuvent enregistrer des données. Depuis, montée en énergie et en luminosité : 500 Higgs/manip 250 millions de W/manip en électron et autant en muon

On a produit des particules : détectons-les! International master classes - Mars 2017 On a produit des particules : détectons-les!

Les détecteurs de particules International master classes - Mars 2017 Les détecteurs de particules Détecter les particules crées

Des instruments colossaux International master classes - Mars 2017 Plus on veut voir petit, plus l’instrument nécessaire est grand : Œil, loupe, microscope, microscope électronique… détecteur de particules… Beaucoup de temps en conception, R&D, construction, grosses collaborations internationales (~3000 physiciens de 40 pays) 2cm 10cm Ces instruments sont colossaux. ATLAS 44m de long, 22m de diamètre 7000t, des millions de composants des milliers de km de câbles. Collaboration : 38 pays, 3000 physiciens. Beaucoup de temps pour développer, construire faire fonctionner ces instruments uniques conçus pour la physique en se projetant dans le futur. 50cm 200cm 4000cm

~90 000 000 pixels ATLAS: le géant International master classes - Mars 2017 ATLAS: le géant 45m de long, 25m de Ø, 7000t Assemblé dans la caverne comme un légo géant ~90 000 000 pixels

International master classes - Mars 2017

Principes On ne voit pas les particules International master classes - Mars 2017 Principes On ne voit pas les particules Les instables se désintègrent trop vite on n’a accès qu’à leurs produits de désintégration stables qui permettent de « remonter » à la particule initiale Les stables trop petites et trop rapides (quantiques et ultra relativiste) Ruser : détecter le passage de l’homme invisible et mesurer ses caractéristiques Faire travailler son imagination à partir de ses connaissances!

Détecter (reconnaître et mesurer) les particules International master classes - Mars 2017 Détecter (reconnaître et mesurer) les particules

International master classes - Mars 2017 Analyser les données

La mesure choisie De nombreuses mesures pour tester le modèle dont International master classes - Mars 2017 La mesure choisie De nombreuses mesures pour tester le modèle dont le rapport W+/W- Production de bosons W+ et W-

On a : 𝑔+𝑢→𝑑+ 𝑊 ? 𝑔+𝑑→𝑢+ 𝑊 ? u u d d u u International master classes - Mars 2017 On a : Gluons de charge 0, quark u de charge 2/3, quark d de charge -1/3 𝑔+𝑢→𝑑+ 𝑊 ? 𝑔+𝑑→𝑢+ 𝑊 ? Sachant que les protons sont composés essentiellement de 2 quarks u et d’un quark d, quel rapport W+/W- attend-on ? u u d d u u

International master classes - Mars 2017 Plus compliqué ! u d Description du contenu en quarks et gluons des protons : Grandes incertitudes On mesure W+ /W-, on doit trouver un nombre positif, de l’ordre de 1,5 qui teste le modèle et éventuellement le contraint Bien sûr pour ça il faut reconnaître les W+ et les W- produits… Etc…

Reconnaître des W Les W sont instables : International master classes - Mars 2017 Reconnaître des W Les W sont instables : Les produire pour les étudier Les étudier via leurs produits de désintégration Désintégrations leptoniques des bosons W+ et W-

International master classes - Mars 2017 Donc, le but du jeu Reconnaître des électrons, des muons et des neutrinos

Conclusion, reconnaître : International master classes - Mars 2017

Quiiiiiiiiiiizzzzzzzzzzzzzzz ! International master classes - Mars 2017 Quiiiiiiiiiiizzzzzzzzzzzzzzz !

1. Le modèle théorique qui décrit la physique des particules s’appelle International master classes - Mars 2017 1. Le modèle théorique qui décrit la physique des particules s’appelle Le modèle bêta Le modèle habituel Le modèle standard

2. Il décrit des particules de matière. Il y en a International master classes - Mars 2017 2. Il décrit des particules de matière. Il y en a 8 12 3

International master classes - Mars 2017 3. Parmi elles, il y en a qui constituent le proton et le neutron, ce sont Le quark up et le quark down Le quark charme et le quark beau L’électron et le neutrino électronique u d Un proton : Un neutron : d d u u

4. Combien y-a-t-il d’interactions fondamentales ? International master classes - Mars 2017 4. Combien y-a-t-il d’interactions fondamentales ? 1 2 4 Quatre interactions : Electromagnétisme : phénomènes électrique et magnétique Interaction faible : Désintégration , radioactivités Interaction forte : Cohésion de la matière nucléaire dans les noyaux et des quarks dans les nucléons Interaction gravitationnelle

5. Une particule instable est une particule International master classes - Mars 2017 5. Une particule instable est une particule Qui ne tient pas en place Qui a un caractère changeant Qui se désintègre sitôt créée

International master classes - Mars 2017 6. Pour créer des particules on fait des collisions de particules pour avoir De l’énergie et utiliser E=mc² et donc créer de la matière Des débris de particules à examiner Des particules aplaties E mc² mc²

7. Pour donner de l’énergie à une particule, on l’accélère avec International master classes - Mars 2017 7. Pour donner de l’énergie à une particule, on l’accélère avec Un champ magnétique Un champ électrique Un champ de fraises U 𝐸

8. Les aimants principaux du LHC servent à International master classes - Mars 2017 8. Les aimants principaux du LHC servent à Courber la trajectoire des particules Donner de l’énergie aux particules Faire joli dans le tunnel + - 𝐵

International master classes - Mars 2017 9. On détecte les particules parce qu’elles interagissent avec la matière du détecteur. Le détecteur interne permet de voir la trajectoire Des particules neutres Des particules instables Des particules chargées

International master classes - Mars 2017 10. Les neutrinos n’interagissent pas (ou très très peu) avec la matière dans le détecteur on voit Rien et on remonte au neutrino parce qu’il manque de l’énergie par rapport à l’énergie de départ Une belle trace dans le détecteur interne Une belle trace dans le détecteur à muons

Au boulot jeunes chercheurs de particules! International master classes - Mars 2017 Au boulot jeunes chercheurs de particules!

International master classes - Mars 2017 Back-up

Le dernier étage de la fusée International master classes - Mars 2017 LHC = « Seulement »de 450GeV à 7TeV H « dépiauté » de ses électrons injecté dans le Linac2 à 1/3 c. Injecteur (157m de circ.) amène les protons à 91.6% c. PS (628m de circ.) amène les p à 99.9% c, la vitesse n’augmente plus mais l’énergie de masse, les protons à 25 GeV. SPS (7km de circ.) amène les protons à 450 GeV. Deux points d’injection pour deux faisceaux circulant en sens inverses. Temps de remplissage : 4 mn 20 s. Le LHC donne l’accélération finale en 20 mn. 4 points de croisements pour les collisions, le tout à 100m sous terre.

Pour voir petit, petite longueur d’onde International master classes - Mars 2017 Pour voir petit, petite longueur d’onde 𝐸= ℎ𝑐 𝜆 ⇒ petite longueur d’onde, grande énergie ! Mur plus épais pour arrêter Hulk que monsieur tout le monde (grande énergie) (petite énergie) Donc pour voir l’infiniment petit : gigantesque quantité de matière et donc microscope monstrueux