Big Bang à Genève Introduction Le LHC (Large Hadron Collider)

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1 Big Bang à Genève Introduction Le LHC (Large Hadron Collider)
L' expérience ATLAS Quelle Physique ? Conclusion Laurent Chevalier CEA-Saclay 17/04/2017

2 1. Introduction Brève histoire de l'univers
Big Bang ~13,6 Milliards d'années 2 moyens de comprendre la nature Astrophysique observationnel Physiques des Particules Expérimental 2007 au CERN à Genève démarrage du LHC 17/04/2017

3 2. Le LHC (Large Hadron collider)
proton x1p x2p proton 17/04/2017

4 Situation Géographique
17/04/2017

5 Quelques Caractéristiques
Anneau de 27 km à ~100 m sous terre Aimants supraconducteurs 15 m 1232 aimants dipolaires 1.9 Kelvin (-271 degrés centigrades) 8.3 Tesla (champ terrestre Tesla) Protons (1011) / Protons (1011) 14 TeV dans le centre de masse 1TeV=1012 eV, 1 eV= Joules Croisement tout les s (40Mhz) Temperature & Pression ~10-10 s après le Big Bang 17/04/2017

6 x 100 x 7 17/04/2017

7 LHC 13 ordres de grandeurs x1p x2p ATLAS 17/04/2017

8 LHC Plus puissant accélérateur au monde Très haute technologie
Projet quasi industriel sur 15ans 4 expériences: ATLAS,CMS,ALICE,LHCB Démarrage 2007 17/04/2017

9 3. L' expérience ATLAS 17/04/2017

10 Qu’est ce qu’un Détecteur?
Un ensemble d’appareils qui permet d’enregistrer l’empreinte d’un phénomène donné Le sable d’une plage Un microscope (mais ici ce n’est pas de l’optique) Trajectographe => traces en 3D Champ magnétique pour courber les particules chargées (f=qvxB) Mesures du rayon de courbure => impulsion(P=aBR) Détecteur à radiation de transition séparation e/p Calorimétrie pour mesurer l’énergie d’une particule 17/04/2017

11 ALTAS Toroides Chambres à muons bouclier 24m 45m 17/04/2017

12 ATLAS TRT: straw tubes SCT: Si strips Pixels Forward LArg Calo
Had Tile Calo EM LArg Calo Forward LArg Calo Had LArg Calo 17/04/2017

13 Quelques Caractéristiques
7000 tonnes (~tour Eiffel), 45m long , 23m haut voies électroniques Croisement tout les 25 ns (40Mhz) ~1500 particules (p,n,p) produites dans le détecteur à chaque croisement de faisceau 17/04/2017

14 Alignement des chambres à muons
Projective lines (RASNIK) Axial lines Alignement des chambres à muons 20mm sur 20m soit 6 ordres de grandeurs utilisation de moyen simple (électronique voiture: canbus) brevets 17/04/2017

15 17/04/2017

16 Analyser les informations enregistrées par le détecteur
40 MHz-> 100Hz sur bande 3 niveaux de déclenchements plusieurs événements en cours d’analyse simultanément 1 événement ~ 1 MB (106 Octets) 1 année ~107s Données à conserver par an: 102x106x107=1015 octets 1 dictionnaire usuel ~60000 mots ~2 105 octets: 1 PB~1 milliards de dictionnaires/an Solution pour analyser ces données : GRID Calculs délocalisés 17/04/2017

17 1500 physiciens à travers le monde 34 pays
L' expérience ATLAS 1500 physiciens à travers le monde 34 pays 17/04/2017

18 Travail du physicien: aller retour continuel entre mesures et simulations
Observation (mesures:construction d’un détecteur) Chute d’une Pomme d’un arbre 4 forces + matière Modélisation (simulations) P=GmM/R2 Modèle standard Prédiction La position des planètes dans le ciel d’été Higgs… 17/04/2017

19 Vision de la nature incomplète
4. Quelle Physique ? Matières <=> Particules Forces <=> Interactions => Modèle effectif: vrai pour une énergie < TeV Vision de la nature incomplète 17/04/2017

20 Théories & modèles Unification gravitation terrestre & céleste
Newton 1680 Unification électricité & magnétisme Faraday & Ampère 1830 Unification optique & électromagnétisme Maxwell 1890 Unification espace & temps Einstein 1905 Unification gravitation & électromagnétisme Kaluza 1919 (5 dimensions, 4 d’espace +1 temps, courbure de la dimension supplémentaire engendre la force électromagnétique) Unification interaction faible & électromagnétique Glashow,Weinberg,Salam 1967 17/04/2017

21 Théories & modèles 17/04/2017

22 Matière (connue…) (1) Protons,neutrons electrons quarks 17/04/2017

23 Matière (connue…) (2) élémentaire
quarks leptons   e   e b s d t c u 3 familles (mesures LEP + cosmologie) M? < 45 GeV Fermions statistique Fermi/Dirac: ne peuvent être dans le même état quantique (2 électrons d’1 couche atomique) 17/04/2017

24 Questions: 3 familles? Leptons & quarks sont ils vraiment élémentaires? Hiérarchie des masses neutrino -> Top? Asymétrie matière/anti-matière? Pas anti-matière observe dans l’univers Asymétrie prévu par les modèle mais pas suffisante Nombre de paramètres libres 25 paramètres libres (au moins …!!!???) 3 couplages de jauge,12 masses de fermions,2 paramètres pour le Higgs et 2(3 angles,1phase) 17/04/2017

25 Forces (connues…) Interactions <=> échange d’un messager intensité/portée Interaction forte gluons (8) ~1 /courte Cohésion du noyau Interaction électromagnétique  ~10-3/ infinie permet d'expliquer l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques et la biologie Interaction faible w+,w-,z0 (3) ~10-5/courte Soleil: p+p -> np + e + (beta decay inverse) Interaction gravitationnelle graviton(?) ~10-38/infinie chutes des pommes: la pesanteur, les marées, les trajectoires des planètes ou des étoiles Bosons statistique Bose/Einstein: peuvent être dans le même état quantique (laser) 17/04/2017

26 Matière & Forces quarks leptons interaction   e   e b s d t c u
Modèle Standard interaction quarks leptons -1 -1/3 2/3   e   e b s d t c u forte/faible/em /gravitation faible/em /gravitation faible /gravitation e Z0, 17/04/2017

27 Théories & modèles Modèle Standard Théorie de jauge HIGGS? ~1 TeV
~1016 K LHC brisure spontanée de la symétrie électrofaible HIGGS? Interaction forte (QCD) Interaction électromagnétique (QED) Interaction faible Interaction gravitationnelle (relativité générale) (ew) Théorie de jauge température temps énergie maintenant Big bang 17/04/2017

28 Questions: Succès du modèle standard Higgs ?
Prédictions en accords avec les mesures 0.1% Moment magnétique de l’électron accord à 11 ordres de grandeurs entre calculs et mesures Découverte des w,z,top,... Après prédiction Questions: Higgs ? Unification électrofaible+forte => 1 unique force ? Grande unification ? Supersymétrie? 17/04/2017

29 Problème cosmologique:
Violation de CP insuffisante pour expliquer l’univers actuel on observe seulement de la matière Rayonnement à 3K: Matière usuelle: ~5% Matière noire (inconnue):~25% ????? Énergie noire (inconnue):~70% ????? 17/04/2017

30 Conclusion Le LHC (large Hardron collider) ATLAS (CMS,ALICE,LHCB)
Dernier ligne droite avant collision…Proton/proton ATLAS (CMS,ALICE,LHCB) En cours d’assemblage, en test avec des cosmiques Quelle Physique? Le modèle standard décrit parfaitement l’ensemble des forces (interactions) et de la matière (particules élémentaires) jusqu’ à une certaine énergie (~TeV). Pierre angulaire du modèle: Higgs Découverte? Confirmation (consolidation) des modèles Nouvelle physique…après le TeV? Dimensions supplémentaires ? 17/04/2017

31 Si le temps le permet 17/04/2017

32 Symétries (1) Toutes lois de conservation correspond a une symétrie Emmy noether
Symétries espace/temps (continues) invariance par translation => Conservation de l’impulsion invariance dans le temps => Conservation de l’énergie invariance par rotation => Conservation du moment cinétique Symétries de jauge locale (continues) Eq. Maxwell => eq. Au potentiel => choix de jauge (divA=0) Symétries CPT (discrètes) C charge (+/-) P parité (r/-r) T temps (t/-t) Conservation Énergie/impulsion 17/04/2017

33 Symétries (2) Brisures de Symétrie: Higgs
Brisure spontanée de symétrie: aimant chauffé puis refroidi supraconductivité C,P,T ne sont pas des symétries parfaites seules le produit CPT est conservé (il assure la causalité) P violé complètement par l’interaction faible CP faiblement (10-3) 17/04/2017

34 HIGGS Mécanisme de Higgs Higgs Brisure de la symétrie électrofaible
Photon sans masse => portée infini de l’interaction électromagnétique w+,w-,z0 massif => courte portée de l’interaction faible Higgs Champ scalaire couplé à toutes les particules massives clef de voûte du Modèle standard 17/04/2017

35 Supersymétrie Symétries entre bosons et fermions
règle la plupart des problèmes du MS Sauf le nombre de paramètres libres… Semble être le seul moyen de raccrocher la gravitation Symétrie spontanément brisée on aurait déjà vu des signes (ou on les a ratés…) A survécu à 30 ans de non découverte… 17/04/2017