LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles réponses nous apportera-t-il? Mons - 15 décembre 2009 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 La grille de calcul (GRID) Les premières collisions! Mons - 15 décembre 2009 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) vp = 99,9999991 % c c=300.000 km/s 1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x 1012 eV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Schéma du LHC 100 m  = 27 km Mons - 15 décembre 2009 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 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 5

Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches spécifiques Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m ~12.500 T Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde ~6.000 T

Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd! Les détecteurs au LHC Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd! Mons - 15 décembre 2009 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 ou se repousser? Cosmologie : Etude de la naissance et de l’évolution de l’Univers Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Le LHC, une machine à remonter le temps ? Mons - 15 décembre 2009 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 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 11

Ordre de grandeur des dimensions Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Ordre de grandeur des dimensions Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les expériences de diffusion: Comment sait-on qu’il y a des quarks dans les protons et dans les neutrons? détecteur particules accélérées Les quarks n’ont jamais été observés à l’état libre ! Mons - 15 décembre 2009 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 Stanford - 1970 : e- p Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks! 20 GeV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks Les leptons Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les particules élémentaires Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : même masse, charges opposées. p  p = antiproton n  n = antineutron e-  e- = e+ = positon ou positron charge - e- charge 0 e+ 1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. Mons - 15 décembre 2009 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 faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Notre compréhension de l’Univers Les théories des interactions fondamentales échange de photons Force gravitationnelle Force électromagnétique Force faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Notre compréhension de l’Univers Les théories des interactions fondamentales Force gravitationnelle Force électromagnétique Force faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Notre compréhension de l’Univers Les théories des interactions fondamentales ? Force gravitationnelle Force électromagnétique Z Boson Force forte Force faible Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Le Modèle Standard (SM) Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g matière familière matière instable I II III Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): . . . quarks leptons D’où vient la masse des particules ? Mécanisme de Brout–Englert (ULB)– Higgs (Ecossais) ? Mons - 15 décembre 2009 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 ! Mons - 15 décembre 2009 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 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Des particules supersymétriques: Le Modèle Standard n’est pas le modèle ultime : n’inclût pas la force gravitationnelle pourquoi 3 familles de constituants élémentaires ? pourquoi ces forces semblables mais tout de même différentes, notamment par leur intensité ? Force de gravitation Force é.m. Force faible Force forte ? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? Des particules supersymétriques: Théorie de la supersymétrie (SUSY) : unifie 3 forces : é.m. + f + F symétrie entre matière et forces quark  squark électron  sélectron Particules supersymétriques pas encore observées! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? La matière noire:  Soit la mécanique de Newton devient fausse à grande distance Soit il y a beaucoup plus de matière dans la galaxie que celle qu’on observe. Vitesse de rotation des étoiles en fonction de la distance au cœur de la galaxie r (kpc) v (km/s) Loi de Newton mesures r v Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? La matière noire En fait, il y aurait 26% de matière inconnue, dite matière noire, pour seulement 4% de matière connue... (et 70% d’énergie noire). La matière noire serait due à des particules neutres interagissant faiblement : neutrinos : très petite masse  seulement ~2% particules supersymétriques ? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Que cherchera-t-on au LHC ? ... mais aussi : D’où vient l’excès de matière sur l’antimatière ? Y a-t-il dans l’univers des dimensions spatiales supplémentaires? ...... Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

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CMS : Compact Muon Solenoid La collaboration CMS Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

CMS : Compact Muon Solenoid Le rôle de la Belgique 1800 détecteurs au silicium assemblés en Belgique 6.500 supports assemblés robot gantry ~20 pétals assemblés roue du traceur Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

CMS : Compact Muon Solenoid Le principe des détecteurs : Les particules sont trop petites pour être “vues”; elles sont détectées grâce aux perturbations qu’elles provoquent dans la matière des détecteurs. Perturbations  signaux électroniques triés et enregistrés Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Le GRID Un défi supplémentaire au LHC : 40 millions de croisements /s ~15 collisions par croisement ~100 particules émises par collision ~50.000 signaux électroniques susceptibles d’être lus ~15 millions Gigaoctets de données /an (~20 millions CDs!) Puissance de calcul nécessaire pour analyser les données : ~100,000 des processeurs les plus rapides Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Le GRID : la grille de calcul réseau distribué de ressources de calcul 2 centres GRID en Belgique! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

tour complet de protons dans les deux sens Où en est-on? 1er démarrage du LHC en 2008 19 septembre : connexion électrique défectueuse  arc électrique  réservoir d’He fondu  fuite d’He  onde de choc  aimants déplacés et endommagés 10 septembre : tour complet de protons dans les deux sens Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Où en est-on? Réparations Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Nouveau départ du LHC en 2009 CCC ! 20/11/09: le LHC est de retour ! p 23/11/09: 1ères collisions 450 GeV + 450 GeV, dans le détecteur CMS! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Nouveau départ du LHC en 2009 30/11/09: record d’énergie : 2 x 1.18 TeV ! 14/12/2009 : plus d’un million de collisions à 900 GeV enregistrées par les différents détecteurs du LHC et ~50.000 à 2,36 TeV, plus qu’au Tevatron U.S.A.(1.96 TeV) 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

Planning? 16/12/09 : arrêt – trêve de Noël 17/12/09 à fin février 2010 : tests, essais et interventions 1/3/10 : augmentation de l’énergie à 2 x 3,5 GeV courant 2010: augmentation de l’énergie à 2 x 5 GeV ? hiver 2010-2011: achèvement des dispositifs de sécurité du LHC printemps 2011 : augmentation de l’énergie à 2 x 7 TeV Boson de BEH : pas avant 2011-2012 Mons - 15 décembre 2009 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. Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Backup slides Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

Les accélérateurs : développés dans les laboratoires de physique, utilisés dans les hôpitaux Courtesy of IBA Thérapie hadronique Environ 9000 accélérateurs sur 17000 fonctionnant actuellement dans le monde sont utilisés à des fins médicales. Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 46

Les détecteurs : développés dans les laboratoires de physique, utilisés pour l'imagerie médicale La TEP (Tomographie à émission de positrons), instrument très important pour l’étude et la localisation de certains types de cancer, utilise l’isotope Fluor-18 produit par des accélérateurs de particules. La TEP utilise de l’antimatière (positons). Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 47

LA recherche fondamentale : un moteur d’innovation depuis l’aube des temps A. Einstein Pour un GPS, si l’on négligeait la correction due à la dilatation du temps on aurait une erreur sur le calcul de la position, de l’ordre d’une dizaine de mètres après 5 minutes de mouvement seulement ! Relativité 100% SCIENCE Pour communiquer, les téléphones utilisent des ondes électromagnétiques Electromagnétisme 100% SCIENCE J.C. Maxwell Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 48