9. La mystérieuse particule de Higgs Donc, si je comprends bien, c’est la faute au boson de Higgs si je suis massif! Les messagers des forces ont des masses.

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1 9. La mystérieuse particule de Higgs Donc, si je comprends bien, c’est la faute au boson de Higgs si je suis massif! Les messagers des forces ont des masses différentes Certains messagers des forces, comme celui de la lumière (le photon) ont une masse nulle. Ce n’est pas le cas des messagers de la force faible, responsable de l’activité du soleil. On pense qu’au moment du ‘big-bang’ –au commencement de notre Univers - toutes les particules élémentaires étaient sans masse. Puis, subitement certaines ont acquis une masse alors que d’autres non. La traque du boson de Higgs Les scientifiques pensent que le vide dans lequel baigne la matière est un peu particulier. Un peu comme des forces de frottement, il agit plus ou moins sur les particules (et des fois pas du tout). Cette action confère une masse, plus ou moins grande, aux particules. Le messager de cette force s’appelle le « boson de Higgs », lui-même doté d’une masse. Grâce à l’énergie libérée lors des collisions de particules au LHC, on espère le matérialiser puis le mettre en évidence Le boson de Higgs serait donc le responsable et son observation la preuve irréfutable de l’origine des masses Le vide n’est pas si vide que ça

2 9.Le Boson de Higgs Donc, si je comprends bien, c’est la faute au boson de Higgs si je suis massif! Origine des Masses Dans le modèle standard de la physique des particules, on s'attend "a priori" à ce que les médiateurs des interactions aient des masses nulles. C'est le cas du photon, mais pas des W± et Z0 ! Le mécanisme de Higgs, inventé en 1964 résout ce problème en introduisant une Sorte de frottement pour les particules, analogue à la viscosité d’un liquide. D’une part ce frottement ralentit le mouvement des particules qui aacquièrent ainsi une masse. D’autre part, il se manifeste sous la forme d’une nouvelle particule : le boson de Higgs. Deux détecteurs du LHC (CMS et ATLAS) sont consacrés à sa mise en évidence. Son prédécesseur, le LEP (Large Electron and Positron collider) en avait peut-être déjà observé quelques uns en 2000, mais le nombre d’événe- -ments intéressants était insuffisant pour en être sûr. Les physiciens estiment que sa masse est comprise entre 114 GeV (sinon on l'aurait vu) et 1000 GeV. Si le Higgs existe, il devrait être possible de l’observer en moins de 5 ans. Il faudrait le voir pour y croire ! Un événement du LEP qui pourrait impliquer un boson de Higgs Dans le modèle le plus simple, il n’y a qu’un seul boson de Higgs. On peut aussi imaginer des alternatives avec plusieurs bosons de Higgs (supersymétrie) ou sans boson de Higgs (espaces avec dimensions supplémentaires). La mission du LHC est tout d’abord de déterminer si le Higgs existe ou non, puis de trancher entre les alternatives Alternatives Simulation de la désintégration d’un Boson de Higgs dans le détecteur ATLAS

3 La matière et l’antimatière Donc, si je comprends bien, l’antimatière existe, mais quelques instants… créer un un anti-humain n’est donc pas envisageable! L’antimatière, c’est quoi? L’antimatière, ce n’est pas de la science fiction. Chaque brique élémentaire de matière (quark, lepton), possède une antiparticule, de masse égale mais de charge électrique opposée. Au quotidien, les collisions de particules issues d’accélérateurs créent des antiparticules que l’on observe dans les détecteurs. Le LHC est particulièrement bien adapté à cette comparaison matière-antimatière. La nature préfère la matière L’explosion primordiale, appelée ‘BigBang’, aurait produit d’énormes quantités de matière et d’antimatière. Un léger déséquilibre au bénéfice de la matière aurait permis à notre Univers d’exister. Première observation de l’antimatière Que se passe-t-il si de la matière rencontre de l’antimatière? Les deux particules s’annulent et leurs masses se transforment en une bouffée d’énergie. C’est pour cela que l’antimatière survit très peu de temps. Pourquoi cette préférence? Le LHC apportera peut-être la réponse en étudiant les infimes différences entre matière et antimatière.

4 Au-delà de la quatrième dimension … et nous? Il y aurait des dimensions cachées d’espace: trop petites pour s’en apercevoir et peut-être même très grandes! Cela pourrait aller jusqu’à 11 dimensions au total! …soit 10 d’espace et une de temps Les expériences du LHC sont capables de sonder cet Univers inconnu Ces fourmis qui se déplacent sur un ruban à 2 dimensions savent-elles qu’elles vivent dans un espace à 3 dimensions? Depuis Albert Einstein, nous savons que nous vivons dans un monde à 4 dimensions: 3 dimensions d’espace et une de temps Ce coffre a: -une largeur -une longueur -une hauteur L’heure est la quatrième dimension

5 12. La soupe de quarks et de gluons La température de cette soupe est plus de 100000 fois celle régnant au cœur du soleil. Sa densité est équivalente à celle de la pyramide de Kheops si on la compactait dans une tête d’épingle. Cette soupe de quarks et de gluons pourrait constituer le cœur de certaines étoiles. Cette soupe primordiale peut être créée et observée au LHC, en accélérant des noyaux lourds, comme des noyaux de plomb, à des vitesses proches de la vitesse de la lumière et en les fracassant les uns sur les autres pour comprimer et chauffer la matière. On recréé en laboratoire les conditions de l’Univers juste après le Big Bang. Les quarks sont des constituants élémentaires de la matière. Les gluons sont les messagers de la force forte, qui collent les protons et les neutrons ensemble pour former les noyaux des atomes. A température normale, quarks et gluons sont liés dans la matière. On pense que quelques microsecondes après le « Big- Bang », un nouvel état de la matière ultra chaud et ultra dense aurait existé, une soupe épaisse (ou plasma) de quarks et de gluons libres.

6 12.Le Plasma de Quarks et de Gluons Qu’est ce que c’est? Un nouvel état de la matière ultra chaud et ultra dense qui aurait existé quelques microsecondes après le Big Bang et pourrait constituer le cœur de certaines étoiles. Température : plus de 100000 fois celle régnant au cœur du soleil. Densité : équivalente à celle de la pyramide de Kheops si on la compactait dans une tête d’épingle. Comment l’étudier? 1) Accélérer des noyaux lourds, comme des noyaux de Plomb ou d’Or, à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. 2) Les fracasser les uns sur les autres pour comprimer et chauffer la matière. 3) Mesurer les particules produites pendant les collisions et analyser leurs caractéristiques. L’étude du Plasma de Quark et de Gluons a débuté il y plus de 20 ans et se poursuit aujourd’hui. Elle regroupe environ 3000 physiciens. Evolution de l’Univers du Big Bang à nos jours Simulation d’une collision entre ions lourds La même collision telle qu’on la “voit” en realité dans un détecteur On recrée en laboratoire les conditions de l’Univers juste après le Big Bang. Par analogie avec la matière ordinaire, on peut définir quatre phases pour la matière nucléaire. Le plasma de quarks et de gluons apparaît pour des grandes températures et densités.

7 13. Le côté obscur de l’Univers Il y a donc bien un vaste coté sombre de note Univers Des particules « nouvelles » stables, neutres et massives créées en grand nombre aux premiers instants de notre Univers pourraient constituer cette partie « immergée » de notre Univers. L’Univers est bien trop lourd pour n’être composé que de matière ordinaire! 95% de l’Univers est de nature inconnue. Si on réussit à produire ces particules au LHC,on pourra peut-être comprendre la nature de cette matière cachée ??? 70%