Prospectives Futurs Grands Projets la frontière des hautes énergies Grandes questions de la physique des hautes énergies Comment tenter d’y répondre Les.

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1 Prospectives Futurs Grands Projets la frontière des hautes énergies Grandes questions de la physique des hautes énergies Comment tenter d’y répondre Les Engagements du LAL

2 Les Particules Élémentaires Photon  Gluon gW et Z La Matière Ordinaire Constituants des noyaux Les Interactions Atomes Désintégration neutron, Réactions de fusion (soleil) Particules de Matière Le Modèle Standard Théorie des particules et de Leurs interactions : Modèle Standard ~O(10 -16 m) La Matière à ~0.1 TeV~O(100 GeV)~O(1000 x Fission)

3 Modèle Standard Ingrédients Théorie QuantiqueRelativité Théorie des interactions (Symétries) Mécanisme de Higgs Particules élémentaires Particules d’interaction W,Z, ,g Boson de Higgs Rapport entre masses Et couplages ThéorieExpérience Sa masse doit être inférieure au TeV Toutes Particules de Masse Nulle

4 Modèle Standard Mesures de précision indirectes (e.g. LEP CERN) prédiction M top Prédiction de la masse du Higgs < ~200 GeV Succès expérimental éclatant Mesures directes a LEP et au TeVatron (FNAL) Cohérence des mesures

5 Les Grandes Questions → Comment intégrer la gravite? → Unification des forces? les problèmes du Modèle Standard… Théorie pas en manque pour prédire ce qu’il y a au delà… … partie plus difficile pour les machines Choix de deux exemples fascinants… → Doivent apparaître nouveaux phénomènes a l’échelle du TeV Le Higgs soulève le problème de Hiérarchie de Jauge → La masse du Higgs dans la théorie « instable » Si pas de boson de Higgs ou si il est trop lourd … vers une théorie ultime

6 La Supersymétrie Au delà (I) → Stabilise la masse du boson de Higgs Sym. fermions (matière)/bosons (interaction, Higgs) Particules supersymetriques non observées… Ses (immenses) qualités : Ses (petits) défauts : → Offre un cadre pour intégrer la théorie de la gravitation → Offre une indication d’unification possible des forces → Offre un candidat sérieux pour la matière noire (LSP) Comment ?Supersymetrie brisée…

7 Extra Dimensions Au delà (II) Et si il existait plus de trois dimensions spatiales? Sauf la gravité liée à l’espace temps Presque tout notre univers 3D serait insensible à ces D si elles sont “enroulées” Gravite forte a l’échelle du TeV possible → Élimine problème de Hiérarchie → Effets de la gravité observables en accélérateurs (e.g. gravitons, trous noirs)

8 Les Grandes Questions… … Réponses a l’échelle du TeV

9 Informations expérimentales : - Sources radioactives - Sources astrophysiques - Accélérateurs de particules Mode de fonctionnement pas si différent depuis la découverte de l’électron (J.J. Thomson 1897)… … Machines beaucoup plus complexes et puissantes Nécessitent désormais des collaborations mondiales (Contrôle du protocole) Repousser les limites en énergie Maximiser le nombre de collisions Les Machines

10 A la Frontière en Énergie : Deux types de machines Les Vingt Dernières Années 1.- Machines a protons 2.- Machines a électrons Les Machines 1981 spps LEP TeVatron (~2TeV) Plus d’énergie Env. complexe → m oins précis Moins d’énergie Env. Simple → Plus précis Lieux communs Machines a découvertes Machines a mesures Approches Complémentaires 1983 Bosons W et Z 1990 – 1995 Mesures Précision Prédiction masse top 1989-2000 1990-2009 1994 Quark top (~0.2 TeV) (~0.6 TeV) TeVatron (~0.3TeV) (~0.1 TeV)

11 Horizons 20072015~20202025-2030 LHCsLHCILCCLIC/vLHC TeV Multi-TeV ~2010 Décision ILC Les Vingt Prochaines Années « Machine a découvertes » sur le point de démarrer Nouveaux phénomènes attendus au TeV Le LHC pourra difficilement apporter des réponses détailles Nécessite une « machine a mesures » ILC (0.2-1 TeV) LHC (14TeV) LHC (~2TeV) CLIC (~5 TeV)vLHC (~40 TeV)

12 Le LHC Le LHC Vu du Ciel Mont Blanc CERN ATLAS Genève 27 km Circonférence : Profondeur : 50 -175 m Vide ~6500 m 3 Température ~2K 1232 Dipôles (~14m) 8.4 T 12 Millions litres d’Azote liquide 700 000 litres Hélium liquide ~8000 km câbles Supra NbTi Dans le Tunnel CMS

13 Le LHC Survol Technique Contraintes extrêmes sur les expériences - Chaque faisceau comprendra ~3000 paquets / énergie de 7 TeV - Chaque paquet contiendra environs ~100 milliards de protons - La dimension des paquets : - qqs cm de longueur - qqs  m d’épaisseur Défis technologiques pour le LHC - Énergie du faisceau ~330MJ soit équivalent 120 kg TNT - Croisements toutes les 25 ns (40 millions/s) - Environs 25 collisions par croisement

14 ATLAS

15 ~ 50 m Calorimetre EM LArg Élément essentiel pour l’étude de la plupart des processus physiques et en particulier la recherche du boson de Higgs

16 ATLAS-LAL Une contribution importante et ciblée : LArg → Conception de l’outil → Stratégie de recherche → Réalisation industrielle Contributions fondamentales des services techniques (électronique, informatique, mécanique) et administratifs Définition du calorimètre pour optimiser son potentiel physique Choix stratégiques de sujets de physique Higgs →  (e.g.) Développement de compétences multiples de manière ciblée Résultat : Le LAL a de nombreuses et importantes responsabilités au sein de la collaboration Modèle traditionnel de contribution du LAL Chaîne de production dans le Hall in2p3

17 ILC Le Projet ~40 km Première phase : 200 a 500 GeV précision <0.1% Deuxième phase : 1 TeV Projet d’accélérateur linéaire e + e - débuté ~1990 Définition de base → Effort mondial : GDE (Global Design Effort) Paramètres définitifs de la machine et lieu d’implantation doivent encore être décidés

18 ILC-LAL Une contribution diversifiée … → Éléments fondamentaux de l’accélérateur : Coupleurs (~6% coût de la machine) → Participation a la définition du projet (10% du GDE) → Études de physique (du Higgs a la matière noire) → Projet de cavité Fabry Perrot pour la polarimétrie → Optimisation de la zone d’interaction → Participation au projet de Calorimètre (électronique)

19 Conclusions Il devrait bouleverser notre compréhension des éléments fondamentaux de la nature (Higgs, SUSY, Extra Dimensions…) Le LAL joue un rôle majeur dans ces programmes ILC pourra étudier avec précision ces bouleversements La communauté de la physique des hautes energies est sur le point de réaliser son projet le plus important Le LHC a nécessite une mobilisation mondiale