LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN

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1 LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN
LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles réponses nous apportera-t-il? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

2 Contenu Le LHC La structure microscopique de la matière
Que cherchera-t-on au LHC ? L’expérience CMS et la contribution belge La grille de calcul (GRID) Les premières collisions! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

3 Le grand collisionneur de hadrons, le LHC
LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 100 m protons protons 7 TeV 7 TeV 7 X l’énergie du Tevatron (USA) vp = 99, % c c= km/s 1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x 1012 eV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

4 Schéma du LHC 100 m  = 27 km Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

5 Le tunnel du LHC 120 tonnes d’ Helium -271,3° C (1,9 K) Le plus grand frigo du monde! Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers d’aimants supraconducteurs. protons : ~ tours de 27 km par seconde 10-13 atm système cryogénique 8,3 tesla l d’helium liquide/heure Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 5

6 Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches
concentriques ayant des tâches spécifiques Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

7 Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m ~12.500 T
Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde ~6.000 T

8 Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd!
Les détecteurs au LHC Comparé à la tour Eiffel, CMS est 30% plus lourd! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

9 Le LHC : pourquoi ? Comprendre les lois de la nature
Physique des particules élémentaires : Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires? Quelles sont les forces qui les font s’assembler ou se repousser? Cosmologie : Etude de la naissance et de l’évolution de l’Univers Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

10 Le LHC, une machine à remonter le temps ?
Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

11 Les particules élémentaires
noyau électrons neutrons u d quarks protons La fynu s’intéresse au noyau et les pp s’intéresse aux part individuellement, à l’état libre u d quarks atome Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 11

12 Ordre de grandeur des dimensions
Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

13 Ordre de grandeur des dimensions
Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

14 Les particules élémentaires
Les expériences de diffusion: Comment sait-on qu’il y a des quarks dans les protons et dans les neutrons? détecteur particules accélérées Les quarks n’ont jamais été observés à l’état libre ! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

15 Les particules élémentaires
Principe des expériences de diffusion : Cible diffuse : pas de déviation angle de déviation faible Cible ponctuelle : angle de déviation important Stanford : e- p Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks! 20 GeV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

16 Les particules élémentaires
Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks Les leptons Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

17 Les particules élémentaires
Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : même masse, charges opposées. p  p = antiproton n  n = antineutron e-  e- = e+ = positon ou positron charge - e- charge 0 e+ 1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

18 Les interactions fondamentales
. Les interactions fondamentales 10-40 10-2 atome Force gravitationnelle Force électromagnétique 1 10-5 noyau n  p + e- + ne d  u + e- + ne Force faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

19 Les interactions fondamentales
Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

20 Notre compréhension de l’Univers
Les théories des interactions fondamentales échange de photons Force gravitationnelle Force électromagnétique Force faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

21 Notre compréhension de l’Univers
Les théories des interactions fondamentales Force gravitationnelle Force électromagnétique Force faible Force forte Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

22 Notre compréhension de l’Univers
Les théories des interactions fondamentales ? Force gravitationnelle Force électromagnétique Z Boson Force forte Force faible Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

23 Le Modèle Standard (SM)
Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g matière familière matière instable I II III Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

24 Que cherchera-t-on au LHC ?
Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): . . . quarks leptons D’où vient la masse des particules ? Mécanisme de Brout–Englert (ULB)– Higgs (Ecossais) ? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

25 Que cherchera-t-on au LHC ?
Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): Comment les particules acquièrent une masse en interagissant avec le champ de BEH: Le champ de BEH Une particule le traverse Elle acquière sa masse ! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

26 Que cherchera-t-on au LHC ?
Le boson de Brout, Englert, Higgs (BEH): Le boson de BEH Le Modèle Standard, complété Rumeur ? Boson de BEH, encore à découvrir ! BEH : prix Wolf 2004 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

27 Que cherchera-t-on au LHC ?
Des particules supersymétriques: Le Modèle Standard n’est pas le modèle ultime : n’inclût pas la force gravitationnelle pourquoi 3 familles de constituants élémentaires ? pourquoi ces forces semblables mais tout de même différentes, notamment par leur intensité ? Force de gravitation Force é.m. Force faible Force forte ? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

28 Que cherchera-t-on au LHC ?
Des particules supersymétriques: Théorie de la supersymétrie (SUSY) : unifie 3 forces : é.m. + f + F symétrie entre matière et forces quark  squark électron  sélectron Particules supersymétriques pas encore observées! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

29 Que cherchera-t-on au LHC ?
La matière noire:  Soit la mécanique de Newton devient fausse à grande distance Soit il y a beaucoup plus de matière dans la galaxie que celle qu’on observe. Vitesse de rotation des étoiles en fonction de la distance au cœur de la galaxie r (kpc) v (km/s) Loi de Newton mesures r v Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

30 Que cherchera-t-on au LHC ?
La matière noire En fait, il y aurait 26% de matière inconnue, dite matière noire, pour seulement 4% de matière connue... (et 70% d’énergie noire). La matière noire serait due à des particules neutres interagissant faiblement : neutrinos : très petite masse  seulement ~2% particules supersymétriques ? Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

31 Que cherchera-t-on au LHC ?
... mais aussi : D’où vient l’excès de matière sur l’antimatière ? Y a-t-il dans l’univers des dimensions spatiales supplémentaires? ...... Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

32 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

33 Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

34 CMS : Compact Muon Solenoid
La collaboration CMS Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

35 CMS : Compact Muon Solenoid
Le rôle de la Belgique 1800 détecteurs au silicium assemblés en Belgique 6.500 supports assemblés robot gantry ~20 pétals assemblés roue du traceur Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

36 CMS : Compact Muon Solenoid
Le principe des détecteurs : Les particules sont trop petites pour être “vues”; elles sont détectées grâce aux perturbations qu’elles provoquent dans la matière des détecteurs. Perturbations  signaux électroniques triés et enregistrés Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

37 Le GRID Un défi supplémentaire au LHC :
40 millions de croisements /s ~15 collisions par croisement ~100 particules émises par collision ~ signaux électroniques susceptibles d’être lus ~15 millions Gigaoctets de données /an (~20 millions CDs!) Puissance de calcul nécessaire pour analyser les données : ~100,000 des processeurs les plus rapides Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

38 Le GRID : la grille de calcul
réseau distribué de ressources de calcul 2 centres GRID en Belgique! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

39 tour complet de protons dans les deux sens
Où en est-on? 1er démarrage du LHC en 2008 19 septembre : connexion électrique défectueuse  arc électrique  réservoir d’He fondu  fuite d’He  onde de choc  aimants déplacés et endommagés 10 septembre : tour complet de protons dans les deux sens Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

40 Où en est-on? Réparations Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

41 Nouveau départ du LHC en 2009
CCC ! 20/11/09: le LHC est de retour ! p 23/11/09: 1ères collisions 450 GeV GeV, dans le détecteur CMS! Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

42 Nouveau départ du LHC en 2009
30/11/09: record d’énergie : 2 x 1.18 TeV ! 14/12/2009 : plus d’un million de collisions à 900 GeV enregistrées par les différents détecteurs du LHC et ~ à 2,36 TeV, plus qu’au Tevatron U.S.A.(1.96 TeV) 6/12/09, 05:15: faisceau stable à 450 GeV Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde Résultats du traceur au silicium de CMS

43 Planning? 16/12/09 : arrêt – trêve de Noël
17/12/09 à fin février 2010 : tests, essais et interventions 1/3/10 : augmentation de l’énergie à 2 x 3,5 GeV courant 2010: augmentation de l’énergie à 2 x 5 GeV ? hiver : achèvement des dispositifs de sécurité du LHC printemps 2011 : augmentation de l’énergie à 2 x 7 TeV Boson de BEH : pas avant Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

44 Pour en savoir plus : Le CERN et notamment le LHC pour le public :
Physique des particules : Univers des particules, Michel Crozon – Le Seuil (1999) Une brève histoire du temps, Stephen Hawking – Flammarion (2008) Merci à tous mes collègues, de Bruxelles et de la collaboration CMS ainsi qu’aux auteurs des divers sites, à qui j’ai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation. Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

45 Backup slides Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde

46 Les accélérateurs : développés dans les laboratoires de physique, utilisés dans les hôpitaux
Courtesy of IBA Thérapie hadronique Environ 9000 accélérateurs sur fonctionnant actuellement dans le monde sont utilisés à des fins médicales. Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 46

47 Les détecteurs : développés dans les laboratoires de physique, utilisés pour l'imagerie médicale
La TEP (Tomographie à émission de positrons), instrument très important pour l’étude et la localisation de certains types de cancer, utilise l’isotope Fluor-18 produit par des accélérateurs de particules. La TEP utilise de l’antimatière (positons). Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 47

48 LA recherche fondamentale : un moteur d’innovation depuis l’aube des temps
A. Einstein Pour un GPS, si l’on négligeait la correction due à la dilatation du temps on aurait une erreur sur le calcul de la position, de l’ordre d’une dizaine de mètres après 5 minutes de mouvement seulement ! Relativité 100% SCIENCE Pour communiquer, les téléphones utilisent des ondes électromagnétiques Electromagnétisme 100% SCIENCE J.C. Maxwell Mons - 15 décembre 2009 C. Vander Velde 48