Recherche de Nouvelle Physique au LHC Pascal Pralavorio ”Le savant n’est pas l’homme qui fournit les vraies réponses, c’est celui qui pose les vraies questions”

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1 Recherche de Nouvelle Physique au LHC Pascal Pralavorio ”Le savant n’est pas l’homme qui fournit les vraies réponses, c’est celui qui pose les vraies questions” Claude Levi-Strauss (1964) Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio1

2 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Deux roches de couleurs différentes  Changement drastique il y a 65 millions d’années Pourquoi ? Luis Alvarez et son fils en Ombrie (Italie, 1981) Pascal Pralavorio La Méthode scientifique 2

3 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Deux roches de couleurs différentes  Changement drastique il y a 65 millions d’années Pourquoi ? Etude chimique de la couche intermédiaire  Extinction massive des espèces  Un fort taux d’Irridium très rare sur terre Pourquoi ? Luis Alvarez et son fils en Ombrie (Italie, 1981) Pascal Pralavorio La Méthode scientifique 3 Crétacé 145-65 millions d’années Paléogène 65-23 millions d’années ?

4 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Deux roches de couleurs différentes  Changement drastique il y a 65 millions d’années Pourquoi ? Etude chimique de la couche intermédiaire  Extinction massive des espèces  Un fort taux d’Irridium très rare sur terre Pourquoi ? Hypothèse: Collision d’une météorite sur la Terre ???  Ou est la météorite ? Dans le golfe du Mexique ! La science remplace du visible compliqué par de l’invisible simple (Jean Perrin) Pascal Pralavorio La Méthode scientifique 4 Diamètre=10km

5 Sa découverte est étroitement liée aux progrès technologiques …  Pour voir des objets plus petits, il faut plus d’énergie  Plus il faut d’énergie, plus les instruments sont grands Lumière visible (Soleil !)Particules accélérées (électron  photon, proton) 10 -5 10 -3 10 -9 10 -10 10 -14 1 Types de particules Instrument s Objets Taille(m) Energie (GeV) 10 -11 10 -13 10 -7 10 -6 10 -2 10 -16 La Physique de l’infiniment petit (1) XXème siècle et au delà Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio5 Particules

6 Le collisionneur fait apparaître de nouvelles particules ! Combustion du Méthane: les atomes sont réarrangés Collisions de Particules : l’énergie se «condense» en différents type de particules Pourquoi si on collisionne des fraises ça ne donne pas des poires ?  Fraise m = 0.030 kg   = 10 -42 m << 10 cm pas sensible aux effets quantiques  Electron m = 10 -30 kg   = 10 -12 m les effets quantiques s’appliquent Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 6 Taille quantique ( ) ~ 1/masse Pascal Pralavorio C. Grojean La Physique de l’infiniment petit (2)

7 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 7Pascal Pralavorio La Physique de l’infiniment petit (3) Neutron (0) Protron (+) AtomeMolécule Noyau Proton Quark Avant d’aller plus loin un peu de vocabulaire Electron

8 De l’importance de la masse (aussi) dans l’infiniment petit, même si la gravite est négligeable ! Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 8Pascal Pralavorio La Physique de l’infiniment petit (4) Si m(électron)=0  Taille de l’atome macroscopique ! Si m(quark)=0  Proton instable  Les atomes ne peuvent se former ! Neutron Protron AtomeMolécule Noyau Proton Quark

9 Qu’est-ce qu’on a trouvé ? Les découvertes attendues et inattendues Plongée dans l’infiniment petit à la découverte des particules Recherche de Nouvelle Physique (Part I: Histoire au XX e siècle) Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio9

10 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio 1903/1930 – rien! Découvertes théoriques Découvertes expérimentales Prix Nobel % Part. Physics Electromagnétisme (EM), Gravité, Thermodynamique Phys. Statistique Electron, Radioactivité ,  ~100% Mécanique Quantique, Relativité, Interaction Forte Proton, Compton (    e) Radioactivité  ~50% Pourquoi? Deux nouvelles théories Une dimension supplémentaire Une nouvelle interaction Naissance de la physique nucléaire Première exploration a l’échelle du picomètre  Une nouvelle physique est née! Histoire de la Physique des particules (1) 10 Qu’est-ce que Rip Van Winkle comprendrait à une présentation sur la physique des particules s’il s’endormait / se réveillait 27 ans après en

11 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio 1903/1930 – nothing 1930/1957 – presque rien * QED= Qantum Electrodynamics, QCD=Quantum Chromodynamics Découvertes théoriques Découvertes expérimentales Prix Nobel % Part. Physics Electromagnétisme (EM), Gravité Electron, Radioactivité ,  ~100% Mécanique Quantique, Relativité, Interaction Forte Proton, Compton (    e) Radioactivité  ~50% Neutrino, Antiparticules, Interaction Faible, QED*, Théorie de Jauge Positron, neutron, pion, muon, strange part., neutrino, CP violation ~60% Why? Pourquoi?  Grandes avancées mais pas de compréhension globale Deux nouvelles théories Plein de nouvelles particules Une nouvelle interaction 5 nouvelles particules Violation d’une symétrie fondamentale ! Premiers accélérateurs Histoire de la Physique des particules (2) Qu’est-ce que Rip Van Winkle comprendrait à une présentation sur la physique des particules s’il s’endormait / se réveillait 27 ans après en 11

12 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio 1903/1930 – nothing 1930/1957 - almost nothing 1957/1984 – presque rien * QED= Qantum Electrodynamics, QCD=Quantum Chromodynamics Découvertes théoriques Découvertes expérimentales Prix Nobel % Part. Physics Electromagnétisme (EM), Gravité Electron, Radioactivité ,  ~100% Mécanique Quantique, Relativité, Interaction Forte Proton, Compton (    e) Radioactivité  ~50% Neutrino, Antiparticules, Interaction Faible, QED*, Théorie de Jauge Positron, neutron, pion, muon, part. étranges, neutrino, CP violation ~60% QCD*+Unification Electro -Faible+Higgs=Modèle Standard !, SUSY, … Autres neutrinos, >100 particules (hadrons), J/Psi, , gluon, W, Z ~50% Why?  Théorie complète! Premier liens avec l’astrophysique Quatre nouvelles théories et plusieurs extensions ! >100 nouvelles particules Pourquoi? Histoire de la Physique des particules (3) Qu’est-ce que Rip Van Winkle comprendrait à une présentation sur la physique des particules s’il s’endormait / se réveillait 27 ans après en 12

13 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio 1903/1930 – nothing 1930/1957 - almost nothing 1957/1984 - almost nothing 1984/2011 – presque tout ! * QED= Qantum Electrodynamics, QCD=Quantum Chromodynamics Découvertes théoriques Découvertes expérimentales Prix Nobel % Part. Physics Electromagnétisme (EM), Gravité Electron, Radioactivité ,  ~100% Mécanique Quantique, Relativité, Interaction Forte Proton, Compton (    e) Radioactivité  ~50% Neutrino, Antiparticules, Interaction Faible, QED*, Théorie de Jauge Positron, neutron, pion, muon, part. étranges, neutrino, CP violation ~60% QCD*+Unification Electro -Faible+Higgs=Modèle Standard !, SUSY, … Autres neutrinos, >100 particules (hadrons), J/Psi, , gluon, W, Z ~50% 3 familles, Top, neutrinos massifs ~30% Why?  Dernières confirmations expérimentales … Pas de nouvelles surprises Pourquoi? Histoire de la Physique des particules (4) Qu’est-ce que Rip Van Winkle comprendrait à une présentation sur la physique des particules s’il s’endormait / se réveillait 27 ans après en 13

14 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio 1903/1930 – rien 1930/1957 – presque rien 1957/1984 – presque rien 1984/2011 – presque tout * QED= Qantum Electrodynamics, QCD=Quantum Chromodynamics  Enormément d’avancées en un siècle: exploration d’une physique complètement nouvelle dans un cadre théorique extrêmement solide Découvertes théoriques Découvertes expérimentales Prix Nobel % Part. Physics Electromagnétisme (EM), GravitéThermodynamique Phys. Statistique Electron, Radioactivité ,  ~100% Mécanique Quantique, Relativité, Interaction Forte Proton, Compton (    e) Radioactivité  ~50% Neutrino, Antiparticules, Interaction Faible, QED*, Théorie de Jauge Positron, neutron, pion, muon, part. étranges, neutrino, CP violation ~60% QCD*+Unification Electro -Faible+Higgs=Modèle Standard !, SUSY, … Autres neutrinos, >100 particules (hadrons), J/Psi, , gluon, W, Z ~50% 3 familles, Top, neutrinos massifs ~30% Pourquoi? Histoire de la Physique des particules (5)  Qu’est-ce que Rip Van Winkle comprendrait à une présentation sur la physique des particules s’il s’endormait / se réveillait 27 ans après en 14

15 … Ou l’origine de la masse des particules Recherche de Nouvelle Physique (Part II: Le Boson de Higgs) Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio15

16 Pascal Pralavorio Le collisionneur LHC : le plus puissant du monde (1)  27 km de circonférence  100 m sous terre  Maintenu à -271°C, l’endroit le plus froid de l’Univers  Ultra vide : 10 fois plus vide que sur la Lune  4,7 milliards de francs suisses (environ 3,5 milliards d’euros)  25 ans de préparation, développement et travaux √s 16 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013

17 Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 17 France et CERN / Mai 2009 l'Université de Genève 450 ans / 1 avril 2009 17 Le LHC, le plus puissant accélérateur au monde (2) Anneau LHC : 27 km de circonférence CMS ALICE LHCb ATLAS

18  Collaboration mondiale sur des dizaines d’années  Utilise la quintessence de la connaissance/technologie et beaucoup de personnes ! Site: Reims (France) Démarrage: 1211 Fabrication: 64 ans Architectes: 4 Dimensions(Lxlxh):150x30x40 m 3 Site: Genève (Suisse) Démarrage: 1988 Fabrication+exploitation: 40 ans Responsables : 2 (pour l’instant) Dimensions (Lxlxh): 44x22x22 m 3 Labos: 174 (7 francais) Pays: 38 Personnes: 3000 Canaux: 88.3 millions Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 18 L’expérience ATLAS

19 19 Pourquoi est-il difficile de trouver le boson de Higgs ? ~1 million de milliards de collisions jusqu’à l’annonce de la découverte Impossible de toutes les enregistrer ! ~1 milliard de collisions enregistrées (400 par seconde) 1 milliard de Mégaoctets (Mo) = une pile de DVD de 1km* ~200 000 bosons de Higgs produits ~500 événements détectables *1DVD=1Gb, 1mm La découverte du boson de Higgs (1) Pour les analyser, un réseau planétaire d’ordinateurs Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013

20 Dépôts d’énergie dans le calorimètre électromagnétique Un candidat Higgs Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 20 La découverte du boson de Higgs (2)

21 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio Masse des deux photons  Chercher le pic ! Au-dessus d’un large bruit de fond Pic étroit dû au signal Il y a ~300 évènements supplémentaires dans la région m  ~125 GeV 21 La découverte du boson de Higgs (3)

22 22 Probabilité que ce que l’on observe ne soit pas compatible avec un signal de Higgs est de 0.0002% ! Récompense un travail de 20 ans ! La découverte du boson de Higgs (4) Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013

23 23 Un événement planétaire  couverture média ~ 1 milliard de personnes La découverte du boson de Higgs (5) Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013

24 24 En effet un électron sans masse ne peut pas former un atome Plus une particule interagit avec le boson de Higgs, plus sa masse est importante La découverte du boson de Higgs (6) Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Gravité Photon Neutrinos Electrons Top quark L L ×× eLeL eLeL × tLtL eReR × R L L R R L R L × × × × × × × × × × × × × × × Avec un boson de Higgs La vie n’existerait pas sans le boson de Higgs × Higgs W H. Murayama, Physics World (May 2002)

25 Epilogue ou début d’une nouvelle aventure ? Recherche de Nouvelle Physique (Part III: Et maintenant ?) Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio25

26 ActivitéMusiquePhysique des Particules ElémentsNotes* (12)Particules de matière (12) Typeb/#Quark/Lepton CaractéristiquesFréquence Durée Intensité Timbre Masse Durée de vie Taille Charge DynamiqueInstruments (4)Forces (4) Types de dynamique Vents (Souffler) Cordes (pincer) Percussions (taper) Chanter Faible ElectroMagnetique Forte Gravitation ConstantesLa=440 Hzc = 3 10 8 m.s -1 Chef d’OrchestreW. A. MozartBoson de Higgs * Echelle Chromatique (Gamme tempérée): 2 a ~3 b, a=19, b=12 (7 octaves, 12 quintes, 12 demi-ton= 12 √2 par octave) L’état de l’art (1) H Le Modèle Théorique de l’infiniment petit est complet ! Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 26 Quark Lepton Forces Higgs

27 27 molécule atome noyau de l’atome proton/neutron quark partition mesure accord note Pascal Pralavorio La fabuleuse histoire du Higgs Gattières, 3 janvier 2013 H Boson de Higgs

28 Il doit y avoir une nouvelle physique (donc encore du boulot !) Atouts du Modèle Très bonne description de toutes les données expérimentales jusqu’à 10 -18 m Beaucoup de questions en suspens  Pourquoi 3 forces d’intensités différentes ?  Pourquoi 12 particules de matière avec des masses si différentes ?  Comment expliquer la matière noire ?  Comment expliquer l’énergie noire ?  Comment inclure la gravitation ? L’état de l’art (2) Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 28

29 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio - “C’est certainement la découverte du siècle !” - “Cela va dépendre de sa profondeur...” La Recherche de Nouvelle Physique 29 Masse d’une nouvelle particule Energie totale de l’évènement L’angoisse du Physicien Pour l’instant pas de nouvelle particules (mais encore ~20 ans pour le LHC !) A. Sfyrla

30 Epilogue (1) La recherche de nouvelle physique au XXI e Et si chercher dans l’infiniment petit c’était comprendre l’infiniment grand ? La nouvelle physique du XX e siecle. Et aujourd’hui beaucoup d’applications pratiques (Transistors, téléphones mobiles, ordinateurs, lasers, télévision, GPS, …), 1/3 du PIB ! Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 30 Nature 488, 32 (02 August 2012) Pascal Pralavorio

31 Epilogue (2) Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 31Pascal Pralavorio x 100 !! x 10 x 4 x 10 x 1 ? ~ ½ Jeux Olympiques de Londres G. G. Giudice, Physics in Perspective 14 (2012) 95

32 Back-up Pascal Pralavorio Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 32

33 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio Toroids Had Calo EM Calo Inner Detector  spectrometer Reconstituer l’ évènement, c.à.d. les particules produites lors de la collision L’expérience ATLAS (2) 33

34 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio  Recherche d’une nouvelle interaction (W’, Z’), …  Doit se manifester par la présence d’une particule massive (boson de jauge) Quelques Résultats (1) 34 H

35 Nouvelle Physique au LHC CERN, 2 juillet 2013 Pascal Pralavorio Quelques Résultats (2)  Recherche de particule de matière noire  Plus complexe ! 35 H