La Physique des Particules et le LHC Massimo Giovannozzi Beams Department – CERN Les questions de la physique des particules Le modèle standard La relativité restreinte Les accélérateurs de particules Le LHC Applications M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les questions de la physique des particules Les questions qui représentent le cœur de la physique des particules sont: Quel sont les constituants élémentaire de la matière? Quel sont les forces élémentaires? La recherche est accomplie sur deux fronts: Théorie: Création de modèles capables de proposer une réponse aux questions précédentes. Expérience: étude de la nature pour fournir des éléments aux théoriciens, ou vérification expérimentale de théories proposées. La théorie qui semble expliquer le mieux les données expérimentales est le MODELE STANDARD M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les constituants élémentaires de la matière - I Est une question qui a toujours été au cœur des études de la nature, mais aussi des réflexions philosophiques. Empédocle (Ve siècle av. J.-C.) Quatre éléments forment toute la matière: le Feu, l'Air, la Terre, l'Eau. Démocrite et Épicure (Ve siècle av. J.-C.) Les atomes sont les constituants élémentaires qui forment toutes choses. Les atomes ont une forme un poids une grandeur Une sorte d’interaction entre les atomes est postulée… M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les constituants élémentaires de la matière - II A partir du XVIIIe le chimie amène vers une redécouverte des atomes: la matière se comporte comme si elle est formée par des unités élémentaires (molécules et atomes). Vers la fin du XIXe l’atome est étudié en détail et les premiers modèles (modernes) sont proposés, mais…l’atome n’est plus indivisible! J. J. Thomson: découverte de l’électron. Modèle de Thomson: fluide chargé positivement avec de charge négatives punctiformes (les électrons). M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les constituants élémentaires de la matière - III E. Rutherford (1911) propose un nouveau modèle: la charge positive est concentré dans un noyau avec structure interne. Le noyau est formé par: Protons: particules de charge positive. Neutrons: particules sans charge électrique. Les électrons gravitent autour du noyau. Y a-t-il une limite à la possibilité de fractionner les éléments constituant l’atome? E. Rutherford M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les constituants élémentaires de la matière - IV Tout au long du XXe siècle multiples expériences de physique démontrent l’existence de centaines de nouvelles particules! Sont elles élémentaires? Comment trouver la régularités? En parallèle les théoriciens progressent dans la compréhension de la mécanique quantique et finalement de symétries apparaissent dans la masse des données expérimentales. C’est la naissance du model standard… M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les particules élémentaires M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les forces responsable de phénomènes naturels M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Le boson de Higgs Dans l’ensemble des particules prévues par le Modèle Standard il y a aussi le boson de Higgs. La théorie prévoit que la masse de toute les particules soit proportionnelle à celle du boson de Higgs: son existence est fondamentale, car sans elle aucune particule n’aurait une masse! Le boson de Higgs, bien que prévu par la théorie, n’a pas été observé. Ceci est l’objectif du nouvel accélérateur du CERN: le Large Hadron Collider et du Tevatron (au laboratoire Fermi à Chicago – US). M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Résume: les particules du modèle standard Particules déjà connues Pièce manquante! M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

La relativité restreinte - I Elle est une de trois créations d’Einstein (avec la théorie de l’effet photoélectrique et la théorie de la relativité générale). Elle a été publiée en 1905. Cette formule est fondamentale pour la physique des particules: Cette formule implique la possibilité de convertir l’énergie en matière et vice-versa! Vitesse de la lumière: 300 000 km/s M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

La relativité restreinte - II Conversion de la matière en énergie: fission atomique Réaction contrôlée Réaction non contrôlée M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

La relativité restreinte - III Conversion d’énergie en matière: création de nouvelle particules en utilisant des particules de haute énergie. Ce phénomène n’est pas visible dans les collisions standards, car l’énergie cinétique est trop faible. La possibilité de convertir de l’énergie en masse est exploitée par les accélérateurs de particules qui deviennent des outils fondamentaux pour la physique des particules. NB: il existe des accélérateurs de particules en nature mais on ne peut pas planifier des expériences de physique en conditions contrôlées! M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les éléments d’un accélérateur circulaire - I Une analogie…un rayon lumineux peu être contrôlé avec Prisme -> pour déflection Lentille -> pour focalisation Massimo Giovannozzi - CERN

Les éléments d’un accélérateur circulaire - II Une particule chargé se comporte comme un rayon lumineux si: Prisme dipôle -> pour déflection Lentille quadripôle -> pour focalisation En réalité les aimants sont des électro-aimants. Le champ magnétique est généré par un courant. Massimo Giovannozzi - CERN

Supraconductivité Kamerlingh Onnes étudie la dépendance de la résistance électrique des métaux avec la température (1911). Au dessous d’une température critique la résistance chute. Il appelle ce phénomène «  supraconductivité  ». Cette découverte est récompensée par le prix Nobel en 1913. Cette propriété est la solution pour générer des champs magnétiques très intenses! Massimo Giovannozzi - CERN

Chemin du faisceau LHC tout au long des accélérateurs du CERN NB: si l’on assume la performance actuelle des accélérateurs du CERN, il faudrait bien plus que 1000 ans pour accélérer 1 g de protons! Courtesy E. Métral - CERN Accélérateurs du CERN Massimo Giovannozzi - CERN Chemin du faisceau LHC tout au long des accélérateurs du CERN

Le site du CERN et ses machines - I LHC Site de Prevessin (France) SPS Site de Meyrin (Suisse) Massimo Giovannozzi - CERN

Le site du CERN et ses machines - II Mont Blanc SPS LHC 100 m de profondeur Massimo Giovannozzi - CERN

Chaque dipôle pèse 27 tonnes Le dipôle Chaque dipôle pèse 27 tonnes Massimo Giovannozzi - CERN

Le quadripôle Massimo Giovannozzi - CERN

Le transport des aimants Plus de 30 000 km ont été parcourus dans le tunnel à une vitesse de 2 km/h Massimo Giovannozzi - CERN

Interconnexion dipôle-dipôle Massimo Giovannozzi - CERN

La structure du LHC Deux faisceaux de protons circuleront dans le LHC. Chaque faisceau est composé de 2808 paquets. Chaque paquet est composé de 1.15×1011 protons. Quatre points de collision. Le remplissage du LHC serait accompli en 10 minutes. L’accélération des protons serait accomplie en 20 minutes. Les protons resteront en collisions pendant 10 h. Massimo Giovannozzi - CERN

Les quatre expériences au LHC ATLAS: Expérience de haute luminosité. Chasse au(x) boson(s) de Higgs. A Large Ion Collider Experiment (ALICE): Expérience avec les Ions plomb. Compact Muon Solenoid (CMS) : Expérience de haute luminosité. Chasse au(x) boson(s) de Higgs. L’expérience TOTEM est aussi installée ici. L’objectif est de mesurer la section efficace totale pour p-p et d’étudier le scattering élastique. LHCb: Physique du quark Beauty; mesures de précision de violation de CP. Massimo Giovannozzi - CERN

Le quatre expériences au LHC M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences La caverne de ATLAS Une cathédrale pourrait être aisément installée dans cette caverne… M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Coupe transversale du détecteur CMS

Ce que l’on espère observer… Le boson de Higgs est une particule instable. Il peut être identifié par les produits de sa désintégration. M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Applications – I Il existe de nombreuses applications des technologies et instruments développés pour la recherche en physique des particules. Accélérateurs: Domain médical: thérapie des tumeurs (hadrothérapie). Cette nouvelle technique améliore la radiothérapie et elle est particulièrement efficace pour les tumeurs profondes. M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Applications – II Accélérateurs: Incinération des déchets radioactifs produits par le processus de fission dans les centrales nucléaires. Nouvelles technologies pour utiliser l’énergie nucléaire. Détecteurs de particules: Imagerie médicale Exemple de tomographie à émission de positrons Une des premières radiographies M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Materiel de reserve M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

Les laboratoires de physique des hautes énergies M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Faits et chiffres - I La plus grande machine du monde La circonférence exacte du LHC est de 26 659 m, et la machine contient un total de 9300 aimants. Rien qu’un huitième de son système de distribution cryogénique constituerait le plus grand frigo de la planète. Tous les aimants seront pré refroidis à -193,2°C (80 K) à l’aide de 10 080 tonnes d'azote liquide, avant d'être remplis de près de 60 tonnes d'hélium liquide qui les portera à -271,3°C (1,9 K). Le circuit le plus rapide de la planète À pleine puissance, des trillions de protons, lancés à 99,99% de la vitesse de la lumière, vont effectuer 11 245 fois le tour de l’accélérateur par seconde. Le nombre total de tours est de 4×108 par remplissage. L’espace le plus vide du système solaire Afin d’éviter des collisions avec les molécules de gaz présentes dans l’accélérateur, les faisceaux de particules voyagent dans une cavité aussi vide que l’espace interplanétaire, ce qui est dix fois inférieur à la pression régnant sur la Lune. M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences

M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences Faits et chiffres - II Les points les plus chauds de la galaxie dans un anneau plus froid que l'espace intersidéral Lorsque deux faisceaux de protons entrent en collision, ils génèrent, dans un espace minuscule, des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil. A l’opposé, le système de distribution cryogénique, qui alimente l’anneau de l’accélérateur en hélium superfluide, garde le LHC à une température de -271,3°C (1,9 K), plus froide que l'espace intersidéral. Les détecteurs les plus grands et les plus performants jamais construits L’ordinateur le plus puissant du monde Les données enregistrées par chacune des grandes expériences du LHC pourraient remplir environ 100 000 DVD double couche par année. Afin de permettre à quelque 7000 physiciens du monde entier de participer à l'analyse des données pendant les 15 prochaines années (la durée de vie estimée du LHC), des dizaines de milliers d’ordinateurs dispersés sur la planète seront exploités dans le cadre d’un réseau informatique décentralisé appelé la Grille. M. Giovannozzi, Collège St. Louis, Nuit des Sciences