Dominique Boutigny 18 février 2011. Identifier les composants ultimes de la matière Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière.

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1 Dominique Boutigny 18 février 2011

2 Identifier les composants ultimes de la matière Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière d’interagir Formuler et comprendre les lois fondamentales qui régissent notre univers Photo: Point de Vue - http://hors-champ.blogspot.com Comprendre comment la complexité a pu émerger à partir des briques de base  Lien avec la cosmologie

3 électron e muon  tau  neutrino e neutrino  neutrino  Famille des leptons upcharmtop downstrangebottom Famille des quarks Un proton ForceMédiateur électromagnétisme Photon  faibleW +, W -, Z fortegluons (8) gravitationgraviton (?) Les médiateurs des forces  e e

4 Plus l’énergie de la particule incidente est grande, plus elle va sonder des échelles minuscules Proton Particule incidente Toutefois l’image du faisceau de particules qui casse la matière en constituants plus petits est assez trompeuse Les grands collisionneurs de particules sont plutôt des convertisseurs de matière en énergie et d’énergie en matière Collision  conversion de la matière en énergie ( E = mc2) Re-matérialisation de l’énergie en de multiples particules

5 Le LHC est construit dans un tunnel de 27 km de circonférence installé à 100 m sous terre au CERN près de Genève Deux faisceaux de protons tournant en sens inverse Collisions dans 4 zones d’expériences Énergie prévue: 14 TeV 14 TeV: soit 7 fois l’énergie de l’accélérateur américain de Fermilab en cours d’exploitation LHC = L arge H adron C ollider Coût de la machine: ~3 milliards d’€

6 L’image selon laquelle le LHC recrée un mini Big Bang est fausse (heureusement !) Le LHC recrée des conditions d’énergie qui ont existé peu de temps après le Big Bang, le LHC permet donc de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au tout début de l’univers LHC et Big Bang Schéma: © CERN Plus l’énergie est élevée plus on se rapproche du Big Bang

7 Pour réaliser ces collisions, l’énergie stockée dans les faisceaux est énorme : 2 TGV qui foncent l’un vers l’autre ! L’énergie disponible lors d’une collision est donc équivalente à celle de 14 moustiques en vol ! Suffisamment pour faire fondre 500 kg de cuivre 1 TeV = l’énergie d’un moustique en vol ! C’est la concentration de cette énergie dans un volume minuscule qui est grande  Ceci nécessite quelques précautions ! Chaque aimant est alimenté par un courant de 10 000 Ampères

8 Le LHC est entièrement supraconducteur – Il fonctionne à la température de l’Hélium superfluide: 1.9 K Ce qui nécessite aussi quelques précautions !

9 En raison d’une mauvaise connexion entre deux aimants, un arc électrique perce l’enceinte d’Hélium et créé un stress mécanique majeur Il faut réaliser la complexité de l’appareillage: 9300 aimants supraconducteurs et des dizaines de milliers de connexions

10 Après 1 an d’intense travail et 26 M€, le LHC est réparé Remise en service fin 2009 mais énergie limitée à 7 TeV Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010 … à intensité réduite Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010 … à intensité réduite Il a été estimé que certaines connexions n’étaient pas suffisamment robustes pour supporter des intensités de courant plus élevées (Énergie   courant dans les aimants  )

11 Pour caractériser le fonctionnement d’un collisionneur on utilise la Luminosité La luminosité est la capacité de la machine à produire des collisions utiles pour la physique (Luminosité ≠ Intensité) Programme: Redémarrage en mars 2011 @ 3.5 TeV / faisceau Fonctionnement en 2011 et en 2012 Peut-être une légère montée en énergie vers la fin de la période Arrêt pour probablement 2 ans Fonctionnement à l’énergie nominale Programme: Redémarrage en mars 2011 @ 3.5 TeV / faisceau Fonctionnement en 2011 et en 2012 Peut-être une légère montée en énergie vers la fin de la période Arrêt pour probablement 2 ans Fonctionnement à l’énergie nominale

12 ATLAS ALICE CMS LHCb

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14 Détecteur de photons Capteur CCD ou CMOS Détecteur de photons Capteur CCD ou CMOS Cristal du calorimètre de CMS Permet de mesurer l’énergie et la position des photons (et des électrons) Permet de mesurer la couleur (l’énergie) et la position des grains de lumière (photons) Il y en a 75 000 dans CMS

15 Processeur d’un appareil photo numérique Carte de traitement du calorimètre d’ATLAS Les informations brutes provenant des détecteurs doivent être traitées et converties en données informatiques Lecture du capteur Conversion analogique  digitale (ADC) Traitement / filtrage / réduction de bruit Génération d’une image brute(format RAW – CRW) Réduction des données Génération d’une image.jpg / ESD Event Summary Data

16 Certains photographes vont se contenter des images.jpg Ils pourront tout de même recadrer, supprimer les yeux rouges et jouer sur le contraste et la luminosité Tout cela sera diffusé mondialement via Facebook ou Flickr D’autres pourront récupérer le format RAW sans perte d’informations et appliquer des traitements sophistiqués Certains physiciens vont se contenter des évènements au format ESD Ils pourront tout de même appliquer quelques algorithmes spécifiques Tout cela sera diffusé mondialement via la Grille D’autres pourront récupérer les données brutes (RAW data) et appliquer des traitements sophistiqués Surtout utilisé par les spécialistes des algorithmes de reconstruction qui préparent les futures versions du code

17 Dans les conditions nominales de fonctionnement les paquets de particules se croisent plus de 30 millions de fois par seconde 1 paquet =100 milliards de protons 3000 paquets dans chaque faisceau On ne peut garder sur disque que 100 croisements chaque seconde Heureusement, la plupart du temps le résultat des collisions ne contient aucune physique intéressante Le trigger est chargé de faire un tri extrêmement rapide en utilisant des informations grossières ou partielles afin de ne garder que ce qui est intéressant On n’appuie sur le déclencheur de l’appareil photo que lorsqu’on est satisfait du cadrage !

18 Comme tous les collisionneurs à protons, le LHC est une machine de découverte, faite pour explorer des domaines d’énergie totalement nouveaux Plusieurs arguments de physique laissent penser que des phénomènes nouveaux doivent se manifester aux énergies du LHC La masse Comment les particules élémentaires acquièrent- elles une masse ? La masse Comment les particules élémentaires acquièrent- elles une masse ? L’asymétrie entre la matière et l’antimatière: Pourquoi l’antimatière est-elle apparemment absente de l’univers ? L’asymétrie entre la matière et l’antimatière: Pourquoi l’antimatière est-elle apparemment absente de l’univers ? Le problème de la matière noire et de l’énergie noire: La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité d’énergie de l’univers – De quoi sont constitués les 96% restants ? Le problème de la matière noire et de l’énergie noire: La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité d’énergie de l’univers – De quoi sont constitués les 96% restants ? Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ? Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière ! Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ? Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière !

19 Le rayonnement cosmologique est la toute première lumière de l’Univers émise ~380 000 ans après le Big-Bang. Il a été mesuré avec une grande précision par le satellite WMAP et le sera encore mieux par PLANCK La température est presque constante (2.73 o K) avec de minuscules fluctuations Chaud Froid Tiède Crédit: NASA/WMAP Science Team http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm.ht ml

20 Illustration CERN d’après une idée de David J. Miller, Physics and Astronomy, University College London. L’assemblée du personnel du CC- IN2P3 … … représente le champ de Higgs

21 Une actrice célèbre sans masse, rentre… c’est notre particule … tout le monde se presse autour d’elle et elle a du mal à fendre la foule Le champ de Higgs (le personnel du CC) se comporte comme un fluide visqueux (!!!) Une fois arrêtée l’actrice célèbre a du mal à se remettre en mouvement Elle acquiert une inertie ≡ masse Le champ de Higgs (le personnel du CC) se comporte comme un fluide visqueux (!!!) Une fois arrêtée l’actrice célèbre a du mal à se remettre en mouvement Elle acquiert une inertie ≡ masse Le champ de Higgs est présent partout dans le vide

22 Le boson de Higgs est comme une rumeur … … « Dell vient de racheter Oracle … »

23 La rumeur se propage de proche en proche, entrainant l’apparition de groupes de sysadmins commentant la nouvelle … La rumeur se comporte comme une particule acquérant une masse dans le champ de Higgs, c’est l’analogue du boson de Higgs Le boson de Higgs est une excitation du champ de Higgs L’énergie du LHC devrait être suffisante pour observer cette excitation

24 Simulation d’une collision engendrant la production d’un boson de Higgs Il y a d’autres signatures possibles Celle-ci est l’une des plus « faciles » à reconnaître Il y a d’autres signatures possibles Celle-ci est l’une des plus « faciles » à reconnaître Il faut tout de même en trouver plusieurs de ce type au milieu de millions de collisions

25 La gravitation est difficilement compatible avec la mécanique quantique qui marche pourtant très bien avec les autres forces Idée: La gravitation « verrait » des dimensions supplémentaires au- delà des 3 dans lesquelles nous évoluons L’unification de la gravitation avec les autres forces nécessite des espaces à 10 ou 11 dimensions  Théorie des cordes par exemple

26 La funambule ne perçoit qu’une seule dimension le long de la corde La puce peut se déplacer dans deux dimensions L’une des dimensions est spatialement peu étendue et repliée Nous ne percevons que 3 dimensions spatiales – la gravitation (la puce) est sensible aux autres

27 Des effets dus aux dimensions supplémentaires pourraient être perçus au LHC Production d’un graviton qui se propage dans une dimension supplémentaire On observerait un déficit d’énergie dans le détecteur Production d’un micro trou noir qui s’évapore instantanément D’autres signatures existent Ces découvertes pourraient être faites peu de temps après le démarrage du LHC

28 La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrie Les lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrie Les lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes Conservation de l’énergie Invariance temporelle de la physique Monde des fermions Spin ½ entier Les particules de matière standards sont des fermions électrons – quarks –neutrinos … Monde des fermions Spin ½ entier Les particules de matière standards sont des fermions électrons – quarks –neutrinos … Mondes des bosons Spin entier Les particules qui transportent les forces sont des bosons (photons – gluons …) Mondes des bosons Spin entier Les particules qui transportent les forces sont des bosons (photons – gluons …) SUSY A chaque fermion est associé un boson et à chaque boson est associé un fermion  Partenaires supersymétriques

29 Les particules supersymétriques se désintègrent en donnant d’autres particules supersymétriques sauf la plus légère qui est stable Elle possède une masse mais n’interagit pas avec la matière ordinaire © ESA / NASA Cette particule est un excellent candidat pour expliquer la matière noire dans l’univers Cette théorie est très élégante et permet de résoudre quelques « petits » problèmes du modèle standard de la physique des particules SUSY prédit l’existence d’autres bosons de Higgs que le LHC pourrait détecter

30 L’énergie noire qui domine l’évolution de l’univers est probablement liée à la structure du vide quantique Cosmologie Physique des particules Le vide est rempli par le champ de Higgs qui donne sa masse aux particules La tentation est grande de lier les deux « Petit » problème: L’énergie du vide de la physique des particules est 10 120 fois trop grande pour expliquer l’énergie noire ! Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à l’énergie noire « Petit » problème: L’énergie du vide de la physique des particules est 10 120 fois trop grande pour expliquer l’énergie noire ! Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à l’énergie noire C’est probablement l’un des plus grand problème de la physique actuelle et le LHC pourrait fournir quelques indices ?

31 Le LHC est une machine extrêmement complexe faisant intervenir de très nombreux éléments actifs. La montée en intensité et surtout la montée en énergie va être prudente et progressive… Le LHC va fonctionner à la moitié de l’énergie nominale pendant encore 2 ans qui seront suivis par 1 à 2 ans de travaux d’amélioration Il y a une petite chance que le Higgs soit découvert d’ici 2 ans D’autres découvertes pourraient-être faites relativement rapidement si dame Nature est généreuse La physique des particules est une école de patience On parlait déjà du LHC 1qund j’ai fait mon DEA en 1984 !

32  Site grand public du LHC au CERN : http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html  Le guide du LHC : http://cdsweb.cern.ch/record/1164451/files/CERN- Brochure-2009-003-Fre.pdf http://cdsweb.cern.ch/record/1164451/files/CERN- Brochure-2009-003-Fre.pdf  Visualiser l’état de fonctionnement du LHC en direct : http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1 http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1  Le CERN sur Twitter : http://twitter.com/CERN http://twitter.com/CERN