Big Bang à Genève Introduction Le LHC (Large Hadron Collider) L' expérience ATLAS Quelle Physique ? Conclusion Laurent Chevalier CEA-Saclay 17/04/2017

1. Introduction Brève histoire de l'univers Big Bang ~13,6 Milliards d'années 2 moyens de comprendre la nature Astrophysique observationnel Physiques des Particules Expérimental 2007 au CERN à Genève démarrage du LHC 17/04/2017

2. Le LHC (Large Hadron collider) proton x1p x2p proton 17/04/2017

Situation Géographique 17/04/2017

Quelques Caractéristiques Anneau de 27 km à ~100 m sous terre Aimants supraconducteurs 15 m 1232 aimants dipolaires 1.9 Kelvin (-271 degrés centigrades) 8.3 Tesla (champ terrestre 510-5 Tesla) Protons (1011) / Protons (1011) 14 TeV dans le centre de masse 1TeV=1012 eV, 1 eV=1.610-19 Joules Croisement tout les 25 10-9s (40Mhz) Temperature & Pression ~10-10 s après le Big Bang 17/04/2017

x 100 x 7 17/04/2017

LHC 13 ordres de grandeurs x1p x2p ATLAS 17/04/2017

LHC Plus puissant accélérateur au monde Très haute technologie Projet quasi industriel sur 15ans 4 expériences: ATLAS,CMS,ALICE,LHCB Démarrage 2007 17/04/2017

3. L' expérience ATLAS 17/04/2017

Qu’est ce qu’un Détecteur? Un ensemble d’appareils qui permet d’enregistrer l’empreinte d’un phénomène donné Le sable d’une plage Un microscope (mais ici ce n’est pas de l’optique) Trajectographe => traces en 3D Champ magnétique pour courber les particules chargées (f=qvxB) Mesures du rayon de courbure => impulsion(P=aBR) Détecteur à radiation de transition séparation e/p Calorimétrie pour mesurer l’énergie d’une particule 17/04/2017

ALTAS Toroides Chambres à muons bouclier 24m 45m 17/04/2017

ATLAS TRT: straw tubes SCT: Si strips Pixels Forward LArg Calo Had Tile Calo EM LArg Calo Forward LArg Calo Had LArg Calo 17/04/2017

Quelques Caractéristiques 7000 tonnes (~tour Eiffel), 45m long , 23m haut 130 000 000 voies électroniques Croisement tout les 25 ns (40Mhz) ~1500 particules (p,n,p) produites dans le détecteur à chaque croisement de faisceau 17/04/2017

Alignement des chambres à muons Projective lines (RASNIK) Axial lines Alignement des chambres à muons 20mm sur 20m soit 6 ordres de grandeurs utilisation de moyen simple (électronique voiture: canbus) brevets 17/04/2017

17/04/2017

Analyser les informations enregistrées par le détecteur 40 MHz-> 100Hz sur bande 3 niveaux de déclenchements plusieurs événements en cours d’analyse simultanément 1 événement ~ 1 MB (106 Octets) 1 année ~107s Données à conserver par an: 102x106x107=1015 octets 1 dictionnaire usuel ~60000 mots ~2 105 octets: 1 PB~1 milliards de dictionnaires/an Solution pour analyser ces données : GRID Calculs délocalisés 17/04/2017

1500 physiciens à travers le monde 34 pays L' expérience ATLAS 1500 physiciens à travers le monde 34 pays 17/04/2017

Travail du physicien: aller retour continuel entre mesures et simulations Observation (mesures:construction d’un détecteur) Chute d’une Pomme d’un arbre 4 forces + matière Modélisation (simulations) P=GmM/R2 Modèle standard Prédiction La position des planètes dans le ciel d’été Higgs… 17/04/2017

Vision de la nature incomplète 4. Quelle Physique ? Matières <=> Particules Forces <=> Interactions => Modèle effectif: vrai pour une énergie < TeV Vision de la nature incomplète 17/04/2017

Théories & modèles Unification gravitation terrestre & céleste Newton 1680 Unification électricité & magnétisme Faraday & Ampère 1830 Unification optique & électromagnétisme Maxwell 1890 Unification espace & temps Einstein 1905 Unification gravitation & électromagnétisme Kaluza 1919 (5 dimensions, 4 d’espace +1 temps, courbure de la dimension supplémentaire engendre la force électromagnétique) Unification interaction faible & électromagnétique Glashow,Weinberg,Salam 1967 17/04/2017

Théories & modèles 17/04/2017

Matière (connue…) (1) Protons,neutrons electrons quarks 17/04/2017

Matière (connue…) (2) élémentaire quarks leptons   e   e b s d t c u 3 familles (mesures LEP + cosmologie) M? < 45 GeV Fermions statistique Fermi/Dirac: ne peuvent être dans le même état quantique (2 électrons d’1 couche atomique) 17/04/2017

Questions: 3 familles? Leptons & quarks sont ils vraiment élémentaires? Hiérarchie des masses neutrino -> Top? Asymétrie matière/anti-matière? Pas anti-matière observe dans l’univers Asymétrie prévu par les modèle mais pas suffisante Nombre de paramètres libres 25 paramètres libres (au moins …!!!???) 3 couplages de jauge,12 masses de fermions,2 paramètres pour le Higgs et 2(3 angles,1phase) 17/04/2017

Forces (connues…) Interactions <=> échange d’un messager intensité/portée Interaction forte gluons (8) ~1 /courte Cohésion du noyau Interaction électromagnétique  ~10-3/ infinie permet d'expliquer l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques et la biologie Interaction faible w+,w-,z0 (3) ~10-5/courte Soleil: p+p -> np + e + (beta decay inverse) Interaction gravitationnelle graviton(?) ~10-38/infinie chutes des pommes: la pesanteur, les marées, les trajectoires des planètes ou des étoiles Bosons statistique Bose/Einstein: peuvent être dans le même état quantique (laser) 17/04/2017

Matière & Forces quarks leptons interaction   e   e b s d t c u Modèle Standard interaction quarks leptons -1 -1/3 2/3   e   e b s d t c u forte/faible/em /gravitation faible/em /gravitation faible /gravitation e Z0, 17/04/2017

Théories & modèles Modèle Standard Théorie de jauge HIGGS? ~1 TeV ~1016 K LHC brisure spontanée de la symétrie électrofaible HIGGS? Interaction forte (QCD) Interaction électromagnétique (QED) Interaction faible Interaction gravitationnelle (relativité générale) (ew) Théorie de jauge température temps énergie maintenant Big bang 17/04/2017

Questions: Succès du modèle standard Higgs ? Prédictions en accords avec les mesures 0.1% Moment magnétique de l’électron accord à 11 ordres de grandeurs entre calculs et mesures Découverte des w,z,top,... Après prédiction Questions: Higgs ? Unification électrofaible+forte => 1 unique force ? Grande unification ? Supersymétrie? 17/04/2017

Problème cosmologique: Violation de CP insuffisante pour expliquer l’univers actuel on observe seulement de la matière Rayonnement à 3K: Matière usuelle: ~5% Matière noire (inconnue):~25% ????? Énergie noire (inconnue):~70% ????? 17/04/2017

Conclusion Le LHC (large Hardron collider) ATLAS (CMS,ALICE,LHCB) Dernier ligne droite avant collision…Proton/proton ATLAS (CMS,ALICE,LHCB) En cours d’assemblage, en test avec des cosmiques Quelle Physique? Le modèle standard décrit parfaitement l’ensemble des forces (interactions) et de la matière (particules élémentaires) jusqu’ à une certaine énergie (~TeV). Pierre angulaire du modèle: Higgs Découverte? Confirmation (consolidation) des modèles Nouvelle physique…après le TeV? Dimensions supplémentaires ? 17/04/2017

Si le temps le permet 17/04/2017

Symétries (1) Toutes lois de conservation correspond a une symétrie Emmy noether Symétries espace/temps (continues) invariance par translation => Conservation de l’impulsion invariance dans le temps => Conservation de l’énergie invariance par rotation => Conservation du moment cinétique Symétries de jauge locale (continues) Eq. Maxwell => eq. Au potentiel => choix de jauge (divA=0) Symétries CPT (discrètes) C charge (+/-) P parité (r/-r) T temps (t/-t) Conservation Énergie/impulsion 17/04/2017

Symétries (2) Brisures de Symétrie: Higgs Brisure spontanée de symétrie: aimant chauffé puis refroidi supraconductivité C,P,T ne sont pas des symétries parfaites seules le produit CPT est conservé (il assure la causalité) P violé complètement par l’interaction faible CP faiblement (10-3) 17/04/2017

HIGGS Mécanisme de Higgs Higgs Brisure de la symétrie électrofaible Photon sans masse => portée infini de l’interaction électromagnétique w+,w-,z0 massif => courte portée de l’interaction faible Higgs Champ scalaire couplé à toutes les particules massives clef de voûte du Modèle standard 17/04/2017

Supersymétrie Symétries entre bosons et fermions règle la plupart des problèmes du MS Sauf le nombre de paramètres libres… Semble être le seul moyen de raccrocher la gravitation Symétrie spontanément brisée on aurait déjà vu des signes (ou on les a ratés…) A survécu à 30 ans de non découverte… 17/04/2017