28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC1 La physique des particules et le LHC Physique d’Aujourd’hui Genève, le 28 novembre 2001 Allan Clark (Email:

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1 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC1 La physique des particules et le LHC Physique d’Aujourd’hui Genève, le 28 novembre 2001 Allan Clark (Email: Allan.Clark@physics.unige.ch) À voir: http://dpnc.unige.ch/http://dpnc.unige.ch/ 1

2 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC2 Table des matières –Introduction et un résumé du cours de M. Maggiore Les unités et les échelles de grandeur Les grandes découvertes en physique des particules –Les accélérateurs- leurs principes d’opération - qu’est-ce que le LHC ? –Les particules élémentaires et leurs interactions –Le Modèle Standard et les questions qui restent ouvertes –Pourquoi avons-nous besoin du LHC ? –Qu ’est-ce que l ’expérience ATLAS ? –Le Higgs avec ATLAS –Université de Genève et ATLAS

3 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC3 Introduction - les unités de longueur et du temps La connection entre l’énergie et le temps, la position et l’impulsion, est donnée par le constant de Plank. La relation de Heisenberg est:

4 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC4 Introduction - les unités de longueur et du temps

5 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC5 Introduction - les unités de longueur et du temps

6 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC6 Introduction -quelques échelles homme 1,8 mètre mesure habituelle (vernier) 0,1 mm 10 -4 m microscope 1 micron 10 -6 m microscope électronique 1 atome 10 -10 m physique nucléaire 1 noyau 10 -15 m physique des particules …. 10 -18 m De plus en plus petit: De plus en plus énergique (  h / p) : Lumière visible (0,6 microns): 2,5 eV * électrons dans un tube de télévision 10 4 eV électrons de LEP au CERN (2000)10 11 eV = 100 GeV (1 GeV = 10 9 eV) protons du LHC au CERN (2005)14 x 10 12 eV = 14 TeV 10 -18 m = 100 GeV = énergie par particule = 10 -10 secondes après le BIG BANG De plus en plus proche des origines de l’univers:

7 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC7 Introduction - de plus en plus proche du BIG-BANG E = kT

8 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC8 Introduction - les grands pas de la physique des particules 1900 Découverte de l’électron par Thompson 1930 Découverte de la première anti-particule: le positron (e + ) 1936 Découverte du muon (  ) indiquant l’existence de la deuxième génération 1950s-1960s Plusieurs baryons et mesons sont découverts. Leurs propriétés sont expliquées avec un modèle qui prévoit l ’existence des quarks comme composants des hadrons. 1968 Evidence directe de l ’existence des quarks 1970s Découverte du lepton  et du quark b, qui indiquent l’existence des trois générations. 1980s Découverte des bosons W et Z : confirmation de la théorie électrofaible 1990s Mesures précises des propriétés des W et Z au LEP et découverte du quark top à Fermilab: confirmation du Modèle Standard avec trois générations. 2000s LHC ………………

9 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC9

10 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC10 Les accélérateurs - de plus en plus d’énergie

11 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC11 Les accélérateurs - comment ça fonctionne Accélération linéaire: -tube de télévision -Dans un champs E, F=qE -Le champ E est fourni par des cavités -Le LINAC du CERN

12 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC12 Les accélérateurs - comment ça fonctionne - Le cyclotron: -Dans un champ B, F=q(v x B), donc R=p/qB -Période de rotation est T=2  m/Bq, indépendent du rayon

13 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC13 Les accélérateurs - comment fonctionnent les synchrotrons

14 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC14 Les accélérateurs au CERN

15 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC15 L’accélérateur LHC au CERN Les protons sont groupés dans des paquets cylindriques de quelques centimètres de longueur Chaque 25 ns (40 MHz), il y aura un croisement des paquets dans les zones de l ’accélérateur où les expériences sont placées Il y aura 23 collisions p-p toutes les 25 ns pour une luminosité de 10 34 cm 2 s -1 La luminosité (L) est liée à l’intensité des faisceaux et permet de calculer le nombre d’événements observés: –N = L x  (  est la section efficace de l ’interaction)

16 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC16 Les particules élémentaires Les constituants élémentaires de l ’univers sont des particules avec spin 1/2 (fermions) : quarks et les leptons. Pour chacune de ces particules il existe aussi une anti-particule avec la même masse et nombres quantiques opposés (ex: la charge électrique) Les quarks et leptons sont classifiés dans trois générations. Pour chaque génération il existe deux types de particules : –les leptons chargés (électron) et neutres (neutrino) –les quarks up (charge +2/3) et down (charge -1/3) Matière Ordinaire : Quark up + down (proton, neutron) + Électron

17 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC17 Les Quarks Les quarks n’existent pas dans l’état libre mais sont liés dans les hadrons par l’interaction forte Les hadrons formés des 3 quarks sont des baryons (p=uud,n=udd) Les hadrons formés d’un quark et un antiquark sont des mésons ( ,K) Les quarks existent dans 2  3 flavours Atome classique Atome moderne

18 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC18 Les interactions fondamentales L’interaction gravitationnelle (phénomènes astronomiques) L’interaction électromagnétique (électricité, magnétisme, réactions chimiques) L’interaction forte (cohésion des noyaux atomiques) L’interaction faible (radio-activité beta qui permet les réactions nucléaires à la source de l ’énergie du soleil) Toutes les forces connues du monde peuvent être attribuées à ces quatre interactions

19 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC19 Les théories unifiées Le rêve des physiciens est d ’unifier toutes les interactions en une seule interaction universelle… 1865 Maxwell développe la théorie des interactions électromagnétiques 1967 Glashow, Salam et Wienberg développent une théorie qui unifie les interactions faibles et électromagnétiques: la théorie électrofaible Dans les années 80, l ’interaction forte est ajoutée (mais pas encore unifiée) à la théorie électrofaible:  le Modèle Standard Le but aujourd'hui est d ’unifier les interactions électrofaible et forte

20 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC20 Le Modèle Standard Le Modèle standard est la théorie actuelle des particules élémentaires –il englobe toutes les particules connues ainsi que les trois interactions: électromagnétique, forte, faible, sauf la gravitation –il donne des prédictions théoriques en remarquable accord avec les mesures de précision effectuées exemple: les mesures des propriétés de boson Z mesurés au collisionneur e + e - LEP (Large Electron Positron collider) du CERN La force entre les fermions élémentaires est véhiculée par une particule messagère qui a un spin entière (boson) –le photon pour la force électromagnétique –W  et Z pour les interactions faibles –8 gluons (g) pour les interactions fortes particule messagère

21 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC21 L ’interaction entre les particules En physique des particules, plus la particule d’une interaction sera lourde, plus cette interaction sera de courte portée Exemples: Interaction électromagnétique avec échange d’un photon (M  = 0)  portée d ’interaction =  Interaction faible, désintégration beta, avec échange d ’un W (M W = 80 GeV/c 2 )  portée d’interaction  10 -18 m  + -

22 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC22 Questions ouvertes du Modèle Standard Des importants mystères demeurent concernant les particules et les forces fondamentales: –Pourquoi la nature produit-elle en trois exemplaires la famille des particules des quarks et des leptons ? Sont-ils vraiment élémentaires –Pourquoi l’antimatière semble-t-elle avoir disparu de l ’Univers ? –Quelle est la cause de l ’origine et de la répartition de la masse dans les particules ? –Pourquoi la particule W est-elle très lourde et le photon léger alors que tous les deux sont des particules messagères (porteuses de force) ?

23 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC23 Le mystère de la masse: le boson de Higgs Le masses des particules qui transmettent les forces fondamentales sont: –photon: M = 0 –boson W, Z : M  80-90 GeV/c 2 Hypothèse du Modèle Standard, pas encore vérifiée: –il y a une nouvelle particule: le boson de Higgs –le Higgs interagit avec d ’autres particules –les masses des particules sont fournies avec cette interaction avec le boson de Higgs: W et Z interagissent fortement avec le champs de Higgs et sont lourdes le photon n’interagit pas, donc M(  ) = 0 Le collisionneur e + e - LEP a exclu l ’existence du boson de Higgs avec M(H)  113 GeV/c 2  Il faut attendre LHC (ou Tevatron) pour le découvrir !

24 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC24 Le phénomène de Higgs Un salle pleine de physiciens conversant calmement est comme l ’espace occupé par le champ de Higgs….. Un commité scientifique entre, créant une perturbation sur son passage.. Ce qui accroît la résistance à son déplacement, il acquiert de la masse Si une rumeur traverse la salle... Elle donne naissance à un essaim de même type, mais composé des seuls physiciens. Cet essaim représente la particule de Higgs

25 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC25 Pourquoi le LHC ? La recherche du boson de Higgs est la priorité des expériences au LHC (ATLAS, CMS) Si le boson de Higgs n’existe pas alors: –LHC nous guidera vers la bonne réponse –par exemple il existe une théorie qui prévoit que quarks et leptons ne soient pas fondamentaux mais constituent des objects plus petits –avec l ’énergie du LHC, ces théories seront mises à l'épreuve Si le boson de Higgs est découverte, de nombreuses énigmes seront encore sans solutions: –Les forces apparemment distinctes de la nature ne sont-elles en réalité que divers aspects d ’une force unique ? –Comment la gravité peut être unifiée avec les autres forces ? En utilisant le supersymmétrie?

26 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC26 La Supersymétrie Toute une gamme d ’hypothèses théoriques ont été proposées pour répondre aux questions que laisse de côté le modèle standard. La théorie plus populaire est la Supersymétrie (SUSY) SUSY prédit que à chaque particule connue correspond un partenaire, avec la même charge mais différentes propriétés (masse, spin) –Les fermions (spin 1/2) ont des partenaires scalaires (spin 0): quark  squark ( top  stop ) lepton  slepton ( électron  sélectron ) –Les bosons (spin 1) ont comme partenaires des fermions (spin 1/2) : W et Z  W-inos et Z-inos –Le boson de Higgs  5 particules de Higgs Si vrai, les particlules sypersymmétrique seront accessibles aux énergies produites dans le LHC.

27 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC27 Les expériences au LHC Le LHC est le collisionneur à l’énergie des collisions la plus élevée du monde et les faisceaux les plus intenses. D’immenses détecteurs sont construits pour étudier ce qui passe lors des collisions: –CMS et ATLAS sont des détecteurs polyvalents –LHCB pour étudier la physique du quark b –ALICE pour étudier les collisions des ions lourds (noyaux de plomb) Uhmm…. L’expérience ATLAS donnera quelques réponses !

28 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC28 Les expériences ATLAS au LHC Qu ’est-ce que l ’expérience ATLAS ? –les particules sont émises dans toutes les directions –le détecteur sera donc sphérique ou, plus communément, cylindrique

29 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC29 ATLAS - ‘a toroidal LHC Apparatus Détecteur polyvalent pour exploiter le potentiel d ’exploration d ’une physique nouvelle offerte par LHC Il permettra de déterminer pour les particules produites dans les collisions p-p dans tous les directions: –Les impulsions, les directions,et le signe des particules chargées –les énergies pour les électrons, photons et particules hadroniques –identifier les électrons, muons et photons –identifier les particules qui sont produites dans un point (à quelques mm) différent du point de collision les hadrons avec le quark b qui se désintègrent après quelques mm de la collision –déduire la présence des particules (neutrino, particules SUSY) qui échappent à la détection en mesurant l ’énergie totale observée E manquante = E collision - E observée è ATLAS est constitué de nombreuses couches. Chacune est conçue pour une tâche spécifique (ex: identifier les muons)

30 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC30 L’expérience ATLAS au LHC

31 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC31 L’expérience ATLAS au LHC Longueur 44 m Hauteur 22 m Poids 7000 tons Tube à vide Détecteur de traces Aimant solénoïdal Calorimètre électromagnétique Calorimètre hadronique Aimant toroïdal Chambres à muons section transversale

32 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC32 Les éléments de ATLAS Trois éléments principaux: la trajectographie interne –première couche du détecteur –reconstruit avec précision la trajectoire des particules chargées –mesure l’impulsion des particules chargées et le signe en utilisant la courbure dans un champ magnétique solénoïdal Événement typique reconstruit par la trajectographie interne

33 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC33 Les éléments de ATLAS (cont.) le calorimètre –mesure les énergies des particules chargées et neutres –il est conçu pour stopper la plupart des ces particules –Deux types de calorimètres sont généralement nécessaires: le calorimètre électromagnétique pour mesurer l ’énergie des électrons, positrons et photons le calorimètre hadronique pour mesurer l ’énergie des gerbes hadroniques composés par protons, neutrons, pions (    et autres particules hadroniques (K) les chambres à muon (spectromètre) –elles sont situées à l ’extérieur du détecteur pour identifier les muons –elles sont placées dans un champ magnétique toroïdal pour mesurer leurs impulsions avec une grande précision –Seuls les muons et les neutrinos sont capables de traverser tout le détecteur. Les neutrinos échappent aussi à la chambre à muons et leur présence peut être déduite par l ’énergie manquante èE neutrino = E collision - E observée

34 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC34 La trajectographie interne Détecteur à pixel –mesure la position du trajet des particules chargées précision  r  = 10 et  z = 50  m Détecteur de traces avec micro-piste au silicium (SCT) –chaque piste reçoit un signal donnant l’information ou est passée la particule précision  r  = 20  m Détecteur de traces aux radiations de transition –tubes-pailles remplis de gaz et munis d’un fil axial, mis en haute tension précision  r   150  m Elle est composée de trois parties: 50 x 300  m

35 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC35 Le calorimètre à Argon Liquide Il consiste en une succession de plaques d’absorbtion (plomb ou cuivre) et d ’un plan des électrodes, le tout immergé dans l’argon liquide Les gerbes des particules produisent une ionisation dans l’argon liquide, qui est détectée comme un signal électrique par des électrodes La géométrie des plaques est en forme d ’accordéon pour avoir une réponse uniforme dans toutes les directions Il est utilisé comme calorimètre électromagnétique (plaques en plomb) et hadronique (plaques en cuivre) pour les parties avant (end-caps et forward) 

36 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC36 Le Calorimètre hadronique (TileCal) Il est situé à l ’extérieur du calorimètre électromagnétique Les capteurs sont des carreaux (tile) de scintillateur plastique les gerbes hadroniques émettent une lumière que l ’on détecte et enregistre

37 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC37 Le Spectromètre des muons Le spectromètre à muons est situé à l ’extérieur des calorimètres Seuls les muons (et les neutrinos) sont capables de traverser tant de matière La mesure de la trajectoire des muons est effectuée dans un deuxième champ magnétique toroïdal par des chambres à fils qui permettent une mesure précise de l ’impulsion

38 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC38 Quelques événements cherchés: production du boson de Higgs Le boson de Higgs est produit généralement avec d ’autres particules hadroniques (gerbes)  e

39 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC39 Evénements cherchés: Après l’analyse des données enregistrées en un an à la luminosité maximale

40 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC40 Evénements cherchés: Ces événements sont utilisés pour déterminer la violation de la symétrie CP dans les désintégrations des mesons B

41 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC41 L ’université de Genève et ATLAS Notre groupe est impliqué dans différentes importantes activités: Détecteur de traces au silicium (SCT): –design, assemblage et production des modules au silicium –design et production des 4 cylindres, support mécanique des modules au silicium –développement du circuit intégré pour l ’électronique front-end utilisé pour la lecture de données Calorimètre au argon liquide –recherche et développement d ’une carte électronique pour le système d ’acquisition de données du calorimètre –intégration avec le système d ’acquisition de données ATLAS Système d ’acquisition des données –développement du software online Simulation et analyse –études avec simulations Monte Carlo des processus physiques, comme production du Higgs, pour évaluer les potentialités de ATLAS

42 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC42 Le détecteur SCT 4 cylindres 9 disques 5.6 m 1.04 m 1.53 m Module du disque (forward)détecteur au silicium

43 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC43 Carte VME ROD pour le calorimètre calorimètre signal Énergie et temps Carte ROD La carte ROD (Read Out Driver) reçoit les données venant de l’électronique front-end du calorimètre à argon liquide par un lien optique Les données consistent en impulsions de chaque canal du calorimètre qui sont enregistrées de l’électronique chaque 25 ns Elle doit les analyser pour calculer la quantité d ’énergie déposée dans chaque canal qui sera utilisée après par le système de déclenchement (niveau 2). Le temps disponible est seulement de 10  s pour 128 canaux Des DSP (Digital Signal Processors) sont utilisés pour le calcul

44 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC44 Etudes des performances En utilisant les événements des simulations Monte Carlo les performances du détecteur ATLAS peuvent être estimées Exemple: recherche du Higgs –Dans quels canaux des désintégrations faut-il chercher ? –Quel est le rapport du signal sur bruit de fond ? –Quelles seront les propriétés du Higgs que l’ on pourra mesurer ? Et Comment ? Pour répondre à ces questions on est en train des faire des analyses (études) en utilisant les événements simulés

45 28 Novembre 2001Physique d'Aujourd'hui - AGC45 Remerciements Le groupe ATLAS de l’Université de Genève Alain Blondel (Allan Clark) Mauro Donega (doctorant) Monica D’Onofrio (doctorant) Didier Ferrère Mariane Mangin-Brinet Federica Mazzucato Lorenzo Moneta Xin Wu Lorenzo Moneta a préparé une bonne partie de ces transparences A voir: http://www.cern.ch et à vous de promener (cherchez ATLAS publique ou CERN publique)http://www.cern.ch A voir: http://dpnc.unige.ch et à promener aussi (partout)http://dpnc.unige.ch