LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles réponses nous apportera-t-il? 1ère partie CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Contenu 1ère partie: 2ème partie Introduction : Le LHC Le Modèle Standard de la physique des particules: les particules élémentaires les forces fondamentales L’évolution de l’univers 2ème partie Que cherchera-t-on au LHC ? L’expérience CMS La contribution belge La grille de calcul (GRID) Où en est-on? CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Le grand collisionneur de hadrons, le LHC LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 100 m protons protons 7 TeV 7 TeV 7 X l’énergie du Tevatron (USA) Energie de l’univers 10-10s après le bigbang vp = 99,9999991 % c c=300.000 km/s 1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x 1012 eV CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Schéma du LHC 100 m  = 27 km CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Le site du LHC Jura Léman 27 km aéroport LHC CERN 27 km 100 m CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Le tunnel du LHC 120 tonnes d’ Helium -271,3° C (1,9 K) Le plus grand frigo du monde! Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers d’aimants supraconducteurs. protons : ~11.000 tours de 27 km par seconde 10-13 atm système cryogénique 8,3 tesla 32.000 l d’helium liquide/heure CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 6

Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches spécifiques CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m ~12.500 T CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde ~6.000 T

Le LHC : pourquoi ? Comprendre les lois de la nature Physique des particules élémentaires : Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires? Quelles sont les forces qui les font s’assembler ? Cosmologie : Etude de la structure et de l’évolution de l’Univers CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires philosophes grecs : Anaximène et Thalès (VIème et Vème av. J.C.): eau, air, feu (,terre). Leucippe et Démocrite (Vème et IVème av. J.C.): atomos (atomes) CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires noyau électrons neutrons u d quarks protons La fynu s’intéresse au noyau et les pp s’intéresse aux part individuellement, à l’état libre u d quarks atome CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 11

Ordre de grandeur des dimensions CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Ordre de grandeur des dimensions Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires La découverte de l’électron (Thomson – 1897): qe = - 1,602 10-19 C (charge négative) me ~ mH / 2000 L’électron est une toute petite partie de l’atome! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les expériences modernes : détecteur particules accélérées Les quarks sont liés à l’intérieur de particules, non élémentaires, appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des hadrons CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Principe des expériences de diffusion : Cible diffuse : pas de déviation angle de déviation faible Cible ponctuelle : angle de déviation important On peut tirer des conclusions sur la structure interne des particules cibles en étudiant la distribution des angles de déviation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires La structure du proton années 50-60 : p e- Le proton a une certaine étendue dans l’espace 10-15 m en 1970, à plus haute énergie (20 Gev) : e- p Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les constituants élémentaires de la matière stable sont les électrons, les quarks up et les quarks down - Exemple : noyau d’hélium - + + http://cpep.lal.in2p3.fr/ CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks Les leptons CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : p  p = antiproton n  n = antineutron e-  e- = e+ = positon ou positron même masse, même temps de vie, charges opposées. charge - charge 0 e- e+ 1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales . Les interactions fondamentales 10-40 10-2 atome Force gravitationnelle Force électromagnétique 1 10-5 noyau n  p + e- + ne d  u + e- + ne Force forte ou de couleur Force faible CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet http://www.cerimes.education.fr/ Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». La portée de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons; le photon est le médiateur des interactions é.m.. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: portée infinie http://www.cerimes.education.fr/ CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: L’électrodynamique quantique est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!! échange d’un photon p+ diagramme de Feynman CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam): Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon + Interactions faibles, médiateurs: bosons Z0, W+ et W- lourds! Exemple 1:  + d(du)  - + u(du) p n échange d’un boson W- “courant chargé” interaction à courte portée CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales La théorie électrofaible: Exemple 2: Etapes importantes: courants neutres observés - CERN - 1973 bosons Z0, W+ et W- observés - CERN - 1983 Unification de 2 des forces!  + e-   + e- e- échange d’un boson Z° “courant neutre” IIHE (ULB-VUB) CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8. La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ». Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte. http://www.cerimes.education.fr/ CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Le Modèle Standard (SM) Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g matière familière matière instable I II III CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers L’univers est en expansion: Hubble (1929): les galaxies se fuient L’univers gonfle comme s’il était le résultat d’une gigantesque explosion : le big-bang. L ’énergie diminue, c’est-à-dire que l’univers se refroidit. Distance (Mpc) (kilomètres par seconde) Vitesse CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers ? Etape 1 : l’inflation t0: moment du big-bang : énergie infinie en un point inflation : l’univers augmente de 1030 en 10-35 s t0 +10-12 s: 1000 GeV g Créations par paires énergie  e+ + e- énergie  q + q E = mc² , Einstein Annihilations: e+ + e-  énergie q + q  énergie Légère asymétrie – matière antimatière : CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers Etape 2 : baryogénèse t0 +10-10 s: 100 GeV Il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks en excès, les plus légers, up et down, les autres s’étant désintégrés. t0 +10-4 s: 1 GeV Ils s’assemblent sous l’effet de la force de couleur pour former des protons et des neutrons ( ce sont des baryons). Univers : protons, neutrons, électrons, neutrinos et radiation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers Etape 3 : nucléosynthèse t0 +100s: 100 eV 1 milliard de degrés Les premiers noyaux d’He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 se forment : t0 +30 minutes: Univers : noyaux légers, électrons, neutrinos et radiation. p n e+ d p e+ n t d t He4 n CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers Etape 4 : formation des atomes t0 +700.000 ans: 3000 degrés Les atomes les plus simples se forment sous l’effet de la force é.m. : H1 et He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 Univers : atomes légers, neutrinos et radiation. e- CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

L’évolution de l’univers Etape 4 : formation de la matière puis, plus tard: formation des agglomérats de matière sous l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….amas, ...planètes, ….la vie! t0 + 13,7 milliards d’années : aujourd’hui CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde

Pour en savoir plus : Le CERN et notamment le LHC pour le public : http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html Physique des particules : http://cpep.lal.in2p3.fr/adventure.html Univers des particules, Michel Crozon – Le Seuil (1999) Une brève histoire du temps, Stephen Hawking – Flammarion (2008) Merci à tous mes collègues, de Bruxelles et de la collaboration CMS ainsi qu’aux auteurs des divers sites, à qui j’ai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde