...un outil pour une nouvelle Physique Le L.H.C ...un outil pour une nouvelle Physique Robert Bouzerar / UPJV - PSC Novembre 2008

Particules élémentaires et forces

Idées du changement perpétuel et élémentarité La préhistoire Vème siècle avant J.C. : Philosophie d’Empédocle Théorie des 4 éléments La combinaison ou la dissociation des quatre éléments fondamentaux de la nature : la terre, l’eau, l’air et le feu étaient à la base de tous les changements observés. L’eau et surtout le feu étaient considérés comme pouvant provoquer la fin d’un cycle cosmique, à travers le kataclysmos (déluge) et l’ekpyrosis (feu cosmique) et ramener ainsi la régénération périodique de la vie. Idées du changement perpétuel et élémentarité Au 4ème siècle avant J.C. Démocrite pense que la matière est formée de grains indivisibles : les atomes (atomos : qu'on ne peut diviser). Ces atomes sont en mouvement dans le vide et peuvent s’emboîter ensemble (atomes crochus) Mais sa démarche n'est que philosophique (le rôle de l’observation n’est pas prépondérant). Trois idées essentielles: la notion de particule « élémentaire » et d’espace vide, les interactions

La philosophie va accorder sa préférence à la théorie des quatre éléments (Aristote, développement de l’alchimie): Rejet du Vide… Résurrection de la théorie de Leucippe et Démocrite au XVII-XVIIIème siècle avec Newton: Concepts de point matériel, d’interactions (les forces) et d’espace absolu (substrat de la géométrie d’Euclide identifiée au vide de Démocrite). Bases de la Physique moderne (matérialisme) Réintroduction de l’atome par Dalton et des combinaisons atomiques au XIXème siècle: Atomes inaltérables dotés d’une masse mesurable (théorie quantitative) qui diffère d’un type d’atome à l’autre (éléments) . Les combinaisons préfigurent la notion de réaction chimique. Bases de la chimie moderne Les ingrédients de la représentation moderne de la matière sont déjà là: Elémentarité, interactions entre particules, rôle du cadre spatio-temporel dans la dynamique des particules, relation matière/espace-temps.

Un monde quantique: des particules à l'univers Notre univers est quantique à toutes les échelles: des particules élémentaires (quarks, leptons, …) dont elle décrit les interactions aux particules composées (noyau, atomes, molécules…)… Echelles microscopiques: 10-16 m (1 millionième d’angstroms) à qqs 10-10 m (Angstrom: taille de l’atome d’H) Aux échelles mésoscopiques (qqs dizaines à qqs centaines de nm ): systèmes vivants, électronique, …

Et l’univers primordial!! … la matière en très gros: Etoiles ( naines blanches, pulsars, trous noirs, …) Et l’univers primordial!!

Structure hiérarchisée de la matière

Description quantique des forces Le mécanisme d’échange Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de Rayonnement (boson intermédiaire) La portée D de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente

Exemple: la force EM Diffusion électron-positron Portée infinie !! échange d’un photon Portée infinie !!

Méthodes d'étude de la matière

Projection d’un faisceau sur cible fixe Faisceau incident (particules sondes, lumière, …) Particules diffusées et/ou créées Détection/Analyse Plus l’énergie du faisceau incident est élevée, plus faible est l’échelle sondée (course aux hautes énergies): révélation de la structure intime de la matière

Diffusion par la matière Modèle planétaire de l’atome Exemple historique En 1911: Rutherford étudie les particules a Diffusion par la matière Découverte du noyau atomique Modèle planétaire de l’atome

Collision de faisceaux circulant en sens inverse Champ magnétique Champ électrique Particule chargée (q) Particule chargée (q) Configuration du collisionneur Principe * une source de particules: p, e- ou ions+ (ionisation d’atomes par une décharge électrique) * Champs électriques pour accélérer ces particules *Champs magnétiques pour le guidage du faisceau

Préfixe Téra (T)= 1012 Préfixe Giga (G)= 109 Préfixe Méga (M)= 106 L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une tension de 1 Volt Préfixe Téra (T)= 1012 Préfixe Giga (G)= 109 Préfixe Méga (M)= 106

Présentation du L.H.C.

Tesla: Unité de Champ magnétique Caractéristiques L.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de Hadrons Energie de collision 7 TeV Le Préfixe Téra (T)= 1012 Champ magnétique dipolaire pour faire circuler les protons à 7 TeV 8,33 T (Teslas) Le Champ magnétique permet d’infléchir le faisceau de particules (trajets circulaires) Tesla: Unité de Champ magnétique Intensité du faisceau de protons 0,56 A (Ampère) Espace entre les bouffées 7,48 m

27 km de circonférence 100 m sous terre

Dimensions : 26 m de long, 16 m de large, 16 m de haut Détecteur ALICE Dimensions : 26 m de long, 16 m de large, 16 m de haut  Poids : 10 000 tonnes Collision d’ ions plomb pour recréer en laboratoire les conditions qui régnaient juste après le Big Bang. Etude du plasma quarks-gluons : Les collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil

Dimensions : 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut Détecteur CMS Dimensions : 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut Poids : 12 500 tonnes * CMS = détecteur polyvalent * Recherche du boson de Higgs et d’autres dimensions spatiales * Quête des constituants la matière noire

Large Hadron Collider beauty Dimensions : 21 m de long, 13 m de large et 10 m de haut Poids : 5600 tonnes LHCb destiné à comprendre l’asymétrie matière/antimatière (pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué entièrement de matière et pas d’antimatière) Etude des différences entre matière et antimatière en étudiant un type de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Recréation des premiers instants du Big Bang où les paires de quarks b/antiquarks b auraient été produites

Dimensions : 46 m de long, 25 m de large, 25 m de haut Le détecteur ATLAS Dimensions : 46 m de long, 25 m de large, 25 m de haut  Poids : 7000 tonnes Recherche du boson de Higgs: Etude de l’origine de la masse des particules Nature de la matière noire (Supersymétrie) Recherche de partenaires supersymétriques des particules

Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont prérefroidis à l’azote liquide (10 080 tonnes) à une température -193,2°C (80 K) puis portés à -271.3 °C (1.9 K) à l’aide d’Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide )