LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN, à Genève. Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Contenu Le LHC La structure microscopique de la matière Que cherchera-t-on au LHC ? L’expérience CMS et la contribution belge Où en est-on? Conclusions Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Le grand collisionneur de hadrons, le LHC LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 100 m protons (ou Pb+) protons (ou Pb+) 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 Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Schéma du LHC 100 m Cf. = 27 km Condorcet - 17 mars 2011 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 sont accélérés par des champs électriques puissants (3,5 TeV actuellement, 7 TeV dans 3 ans) 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 32.000 l d’helium liquide/heure système cryogénique 8,3 tesla 10-13 atm Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde 5

Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches spécifiques Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m ~12.500 T Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde ~6.000 T

Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd! Les détecteurs au LHC Compact Muon Solenoid Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd! Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

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 naissance et de l’évolution de l’Univers Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Le LHC, une machine à remonter le temps ? Condorcet - 17 mars 2011 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 Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde 11

Ordre de grandeur des dimensions Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Ordre de grandeur des dimensions Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks Les leptons Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : p  p = antiproton e-  e- = e+ = positon ou positron même masse, même temps de vie, charges opposées. charge - e- e+ 1932 découverte de l’antimatière, (Anderson) : le positron. Condorcet - 17 mars 2011 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 Force forte ou de couleur Force faible Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule. Forces fondamentales  champs  qui remplissent l’espace Exemple: force électromagnétique  champ électromagnétique Ces champs sont quantifiés : « quanta » de champs = « bosons intermédiaires ». Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales L’interaction électromagnétique : Quanta de champ électromagnétique : les photons! Le photon est la particule échangée lors des interactions é.m.. Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales L’interaction électromagnétique : Quanta de champ électromagnétique : les photons! Le photon est la particule échangée lors des interactions é.m.. Exemple: http://www.cerimes.education.fr/ Théorie de l’électrodynamique quantique : vérifiée à plus de 10 chiffres significatifs! Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Notre compréhension de l’Univers Les théories des interactions fondamentales Force gravitationnelle Force électromagnétique Force forte Force faible Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Notre compréhension de l’Univers Les théories des interactions fondamentales ? portée infinie Force gravitationnelle Force électromagnétique Courte portée Z Boson Force forte Force faible Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Le Modèle Standard (SM) Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g Matière : 12 particules + 12 antiparticules Très nombreuses Confirmations expérimentales I II III Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): Dans la théorie initiale, toutes les particules avaient une masse nulle, ce qui implique v = c. Or, par exemple : En 1964, P. Higgs (Ecossais) et R. Brout et F. Englert (ULB), introduisent un mécanisme pour donner une masse à certaines particules, le mécanisme de BEH: Nouveau champ qui envahit l’espace : le champ de BEH! Les particules de masse nulle qui interagissent avec le champ sont ralenties et de ce fait acquièrent une masse. ? Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): Comment les particules acquièrent une masse en interagissant avec le champ de BEH: Le champ de BEH Une particule le traverse Elle acquière sa masse ! Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): Le boson de BEH Le Modèle Standard, complété ? Rumeur Boson de BEH, encore à découvrir ! BEH : prix Wolf 2004 , prix Sakurai 2010 Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

CMS : Compact Muon Solenoid Assemblage en surface F = 15 m L = 22 m ~12 500 T Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

CMS : Compact Muon Solenoid Préparation de la caverne Février 2005 53 m long, 27 m large & 24 m haut Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

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CMS : Compact Muon Solenoid La collaboration CMS 3000 Scientific Authors 38 Countries 183 Institutions Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

CMS : Compact Muon Solenoid Le rôle de la Belgique Actuellement : ~70 scientifiques de l’UA, UCL, UG, ULB, UM et de la VUB participent à CMS (prise de données, analyse des résultats). De 1993 à 2007 : conception et construction du traceur au silicium de CMS, avec l’Allemagne, l’Autriche,la France, l’Italie, le Pakistan et les USA. roue du traceur pétales assemblés à BXL Assemblage des capteurs au Si (robot gantry) Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Premières collisions en 2009 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV 20/11/09: le LHC est de retour Résultats du traceur au silicium de CMS 23/11/09: 1ères collisions p (450 GeV) + p (450 GeV), dans le détecteur CMS! Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde

Premières collisions à 3,5 + 3,5 TeV 30 mars 2010 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Premières collisions à 3,5 + 3,5 TeV 30 mars 2010 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Augmentation du Taux de collisions 2011 : 3,5 TeV + 3,5 TeV 2012 : 3,5 TeV + 3,5 TeV 2013 : améliorations du LHC 2014 : 7 TeV + 7 TeV Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Premières collisions à 3,5 + 3,5 TeV 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Seule une accumulation de tels événements à une même masse du système formé par les 4 muons permettra de trancher Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Premières collisions d’ions de Pb 8 novembre 2010 Pb + Pb  QGP ~1.4 TeV/nucléon  500.000 x la température du soleil La théorie de l’interaction forte prévoit une transition de phase d’un gaz de hadrons vers un plasma de quarks et de gluons (QGP) pour Tc ≈ 2 x 1012 K Forme de la matière primordiale? On remonte à moins de 10 µs après le Big Bang ! 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Premières collisions d’ions de Pb 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Conclusions Le LHC réalise des collisions de protons et d’ions de plomb à des énergies jamais atteintes auparavant avec un accélérateur. Les détecteurs et les chaines d’analyse sont au point, prêts pour de futures découvertes. Certaines d’entre elles pourraient se produire d’ici à fin 2012. Le LHC devrait doubler son énergie actuelle en 2014. Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

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. Condorcet - 17 mars 2011 C. Vander Velde