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POSTER 1
Détecteur CMS
DÉTECTEUR CMS
Poids total : 14 000 tonnes
Diamètre : 15 m
Longueur : 28,7 m
Champ magnétique : 3,8 T
CULASSE DE RETOUR EN ACIER
12 500 tonnes
TRAJECTOGRAPHE
Pixels ~16 m2, ~ 66 M canaux
Pistes ~200 m2, 9,6 M canaux
AIMANT SUPRACONDUCTEUR (SOLÉNOÏDE)
Bobine en niobium-titane transportant ~18 000 A
CALORIMÈTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE (ECAL)
~76 000 monocristaux de scintillateur en tungstate de plomb
~16 m2 de pistes de silicium, 137 000 canaux
CALORIMÈTRE HADRONIQUE (HCAL)
~7 000 canaux de scintillateur plastique et laiton
~2000 canaux de fibres en quartz et acier tubes à dérive
CHAMBRES À MUONS
250 tubes à dérive
912 chambres à plaques résistives
468 chambres à pistes cathodiques
CMS est un gigantesque détecteur de particules, situé à 100 m sous terre. Le détecteur luimême, de forme cylindrique et constitué, comme un oignon, de plusieurs couches, est construit
autour de l’un des quatre « p oints de collision » du LHC. Les particules produites par les
collisions de protons traversent ces couches et laissent leur trace sur les différents sousdétecteurs de CMS.
POSTER 2
Aimant CMS
Bobine supraconductrice
Photo 1: Assemblage à la verticale des modules de la bobine de CMS
Photo 2: Basculement de la bobine dans le hall de construction
Photo 3: Introduction de la bobine dans son cryostat situé dans l’anneau central YB0
Photo 4: L’aimant de CMS prêt à être testé
Photo 5: Descente de l’anneau central muni de la bobine de l’aimant dans UXC55 :
2000 tonnes descendues à 100m d’un seul coup
Photo 6: L’anneau central et le cryostat recouverts des câbles et circuits de
refroidissement des détecteurs, en position finale dans la caverne expérimentale
Un courant électrique de 18 000 ampères circule dans une bobine de 13 m de long et de 6 m de
diamètre, constituée de niobium-titane, matériau supraconducteur refroidi à -270°C, et qui
produit un champ magnétique de 3,8 teslas (environ 100 000 fois plus élevé que le champ
magnétique terrestre). Ce champ magnétique courbe les trajectoires des particules chargées, ce
qui permet de les trier et de mesurer leur impulsion. Une énergie de 2,7 gigajoules est stockée
dans la bobine, ce qui est à peu près équivalent à l’énergie cinétique d’un Airbus A320 en vol.
En incluant la culasse (roues rouges), l’aimant pèse 12 500 tonnes, soit deux fois plus que la
tour Eiffel.
POSTER 3
Sous-détecteur CMS
Trajectographe
Photo 1: Pixel de silicium
Photo 2: Modules formés de pistes de silicium
Photo 3: Tonneau du trajectographe
Photo 4: Bouchon du trajectographe
Photo 5: Trajectographe à pixels
Comment le trajectographe fonctionne-t-il ?
Lorsque les particules chargées, telles que les électrons, traversent CMS, leurs
trajectoires sont courbées par le fort champ magnétique. Plus leur impulsion (~vitesse)
est élevée, moins leur trajectoire est courbée. Lorsque les particules chargées les
traversent, les couches de capteurs de silicium délivrent des signaux précisément
positionnés (à mieux que 10 µm). Par interpolation des points, les programmes
informatiques révèlent les traces et mesurent l’impulsion des particules.
Traces provenant de dizaines de collisions créées dans CMS. Ces dessins/événements se
produisent 40 millions de fois par seconde et le trajectographe, grâce à sa haute résolution
en position, est déterminant pour séparer les vertex primaires et secondaires (provenant des
désintégrations de particules).
Comment le trajectographe fut-il bâti ?
Photo 1: Les capteurs sont découpés à partir de tonneau galettes de silicium circulaires.
Photo 2: L’électronique est soudée aux capteurs pour former des modules.
Photo 3: Des “barrettes“ multiples forment la partie extérieure du tonneau.
Photo 4: Les capteurs en pixels ont été transportés au CERN depuis les Etats-Unis.
Photo 5: Deux capteurs sont connectés par des fils de 25 µm.
Photo 6: Les modules complets sont placés en quinconce – dans ce cas un
“pétale“ d’un bouchon.
Photo 7: Installation du trajectographe à pistes.
Photo 8: Installation du détecteur à pixels autour du tube à vide de CMS.
Près de 17 000 capteurs en silicium finement segmentés (pistes et pixels) permettent de
suivre la trajectoire des particules chargées et de mesurer leur impulsion. Ces capteurs
permettent aussi de repérer à quel endroit se désintègrent les particules instables à
longue durée de vie. Alors que la surface totale recouverte par ces capteurs de silicium
(d’une épaisseur d’environ 300 µm) est à peu près celle d’un terrain de tennis, chacune
des quelques 10 millions de pistes est plus étroite qu’un cheveu (environ 20 µm).
Chacun des 66 millions de pixels situés au cœur de CMS ne mesure que 150 µm x 100
µm. Ils permettent de mesurer les trajectoires de particules en 3 dimensions.
POSTER 4
Sous-détecteur CMS tonneau
Calorimètre électromagnétique (ECAL)
Photo 1: Tonneau du ECAL
Photo 2: Détecteur de pied de gerbe du bouchon
Photo 3: Bouchon du Ecal
Photo 4: Crystal de tungstate de plomb du ECAL, avant et après coupe et polissage
Photo 5: Capteur en silicium du détecteur de pied de grebe
Comment le ECAL fonctionne-t-il ?
Photo captions:
Electron / photon entrant
Cristal de PbWO4
Détecteur de lumière
Les électrons et photons entrant perdent toute leur énergie dans les cristaux de PbWO4
produisant une gerbe de particules. De la lumière est produite par la gerbe et recueillie
par des photo-détecteurs (photodiodes à avalanche –APD- dans le tonneau et phototriodes à vide –VPT- dans les bouchons) collés à l’extrémité des cristaux. L’amplitude
de la lumière est proportionnelle à l’énergie de l’électron ou photon, c’est-à-dire : plus
d’énergie = plus de lumière.
Comment le ECAL a-t-il été bâti ?
Photo 1: La croissance d’un cristal de PbWO4 prend environ deux jours.
Photo 2: Après coupe et polissage, la qualité des cristaux est contrôlée.
Photo 3: Les photo-détecteurs sont collés sur les cristaux et insérés dans les structures
de support.
Photo 4: 1700 cristaux sont regroupés.
Photo 5: L’électronique, les systèmes de monitorage, de sécurité et de refroidissement
sont rajoutés > Prêts à être installés.
Photo 6: Des groupes de cristaux pris 5 à 5 sont montés sur un bouchon.
Photo 7: Les capteurs en silicium du détecteur de pied de gerbe sont soudés sur
l’électronique de lecture.
Photo 8: Un demi-disque du détecteur de pied de gerbe prêt à être installé.
Le calorimètre électromagnétique (ECAL) contient 75848 cristaux de tungstate de plomb
(PbWO4, à 86% métallique mais complètement transparent) qui permettent de mesurer
précisément l’énergie des électrons et des photons dans le tonnea u et les bouchons de
CMS. Les dimensions des cristaux sont, dans le tonneau, 2,2 x 2,2 x 23 cm3, et dans
les bouchons, 2.9 x 2.9 x 22 cm3. Un détecteur de pied de gerbe, comportant 4288
capteurs en silicium mesurant chacun 6,1 x 6,1 x 0,03 cm3, permet d’identifier les
particules dans les bouchons.
POSTER 5
Sous-détecteur CMS
Calorimètre hadronique (HCAL)
Photo 1: Les fibres optiques transportent les signaux des particules détectées par le
HCAL
Photo 2: Les modules de lecture formés de photomultiplicateurs en silicium (SiPM)
amplifient le signal
Photo 3: Tonneau du HCAL
Photo 4: Bouchon du HCAL
Photo 5: Calorimètre sur l’avant du HCAL
Comment le HCAL fonctionne ?
(Photo caption: …vers le photo detecteur)
Les scintillateurs plastiques ou les fibres de quartz intercalés entre les couches
d’absorbeur dense (laiton ou acier) sont utilisés pour déterminer l’énergie des hadrons
provenant des collisions du LHC. Les matériaux scintillants produisent un signal
proportionnel au nombre de particules chargées qui les traversent. Quand une particule
hadronique rencontre une plaque d’absorbeur, de nombreuses particules secondaires
sont créées. Celles-ci traversent des couches successives d’absorbeurs formant une
cascade ou “gerbe” de particules. Lorsque les couches de scintillateur plastique sont
traversées par cette gerbe, elles émettent une lumière bleue violette. Les fibres optiques,
d’un diamètre inférieur au millimètre, insérées dans les tuiles scintillantes absorbent
cette lumière et la transforment en lumière verte transportée alors par des fibres
transparentes jusqu’aux photodétecteurs.
Comment le HCAL fut-il bâti ?
Photo 1: Les scintillateurs munis de leurs fibres forment des mega-tuiles du tonneau du
HCAL.
Photo 2: Le tonneau du HCAL est composé de 36 secteurs, chacun pesant autant que 6
éléphants.
Photo 2: Plus d’un million de douilles d’obus de la marine russe de la 2e guerre
mondiale ont été converties en composants des bouchons du HCAL.
Photo 3: Un disque des bouchons du HCAL pendant sa construction.
Photo 4: Modules de test des fibres de quartz du calorimètre hadronique sur l’avant.
Photo 5: Le calorimètre hadronique sur l’avant fut la première pièce de CMS descendue
dans la caverne.
Le calorimètre hadronique (HCAL) mesure l’énergie des hadrons, c’est-à-dire des
particules composites telles que les protons, les neutrons, les kaons et les pions,
constituées de quarks et de gluons. De plus, il permet de déceler indirectement la
présence de particules neutres n’interagissant que très faiblement comme les neutrinos.
À l’exception des muons et des neutrinos, le HCAL est conçu pour arrêter toutes les
autres particules produites dans les collisions au cœur de CMS. Le calorimètre
hadronique comporte 70 000 tuiles regroupées dans des plaques de scintillateur
introduites entre des couches de laiton et 450 000 fibres de quartz insérées dans une
matrice d’acier.
POSTER 6
Sous-détecteur CMS
Chambres à muons
Photo 1: Chambres à tubes à dérive (DT) et chambres à plaques résistives (RPC)
insérées dans la région centrale
Photo 2: Chambres à plaques résistives (RPC) dans les bouchons de CMS
Photo 3: Câblage des chambres à muons de CMS
Photo 4: Câblage des chambres à muons de CMS
Photo 5: Chambres à pistes cathodiques (CSC) dans les bouchons de CMS
Quels sont les types de chambres à muons dans CMS ?
Photo 1:
250 chambres à tubes à dérive (DT) : Elles mesurent les positions des muons dans la
partie centrale de CMS.
Les muons traversant les DT heurtent les électrons, qui se dirigent alors vers les fils
chargés positivement.
La mesure du temps pris par les électrons pour atteindre le fil indique l’endroit où le
muon a traversé le tube.
Photo 2:
540 chambres à pistes cathodiques (CSC): Elles mesurent les positions du muon dans
les bouchons de CMS et associent leurs traces avec celles du trajectographe.
Un ensemble de fils chargés positivement sont tendus comme dans une harpe,
perpendiculairement à des pistes négatives.
Le mouvement des électrons vers les fils et les charges induites sur les pistes
fournissent deux coordonnées sur la position du muon.
Photo 3:
1056 chambres à plaques rési-stives (RPC) : Elles sont présentes à la fois dans le
tonneau et les bouchons.
Deux chambres remplies de gaz, constituées chacune de deux électrodes de Bakélite
inversement chargées, sont séparées par un plan de pistes de cuivre qui collectent le
signal des muons.
L’excellente résolution en temps améliore l’identification de la collision ayant produit les
muons observés.
Comment mesure-t-on les muons dans CMS ?
Quand un muon traverse les chambres à muons, il heurte les électrons du gaz contenu
dans les chambres et produit un signal électrique. La trajectoire des muons est mesurée
en ajustant une courbe aux dépôts laissés dans le trajectographe et les chambres à
muons insérées dans les plaques de fer formant la culasse de l’aimant. En mesurant
ses positions successives dans les différentes couches de chaque chambre, les
détecteurs déterminent précisément le parcours du muon.
Importance de la mesure des muons
Un muon de grande impulsion nous indique qu’une particule lourde a été créée lors de
la collision.
Comme les muons sont les seules particules enregistrées dans les chambres à muons,
les processus les incluant sont plus propres et faciles à analyser que les autres.
Par exemple, un boson de Higgs produit dans CMS peut se désintégrer en deux bosons
Z, chacun d’eux pouvant se désintégrer à son tour en deux muons. Un tel événement à
quatre muons (voir l’image ci-dessus) est considéré comme le “canal royal” pour
l’observation des désintégrations du Higgs.
Les chambres à muons de CMS sont formées de 1846 chambres destinées, comme
leur nom l’indique, à détecter les muons, cousins plus lourds des électrons et particules
cruciales pour de nombreuses études au LHC. Les muons peuvent traverser
plusieurs mètres de matière et ne sont arrêtés par aucun des deux calorimètres de CMS.
De ce fait, les chambres à muons sont placées tout à fait à l’extérieur du détecteur, là où
seuls les muons peuvent déposer un signal. Un muon traverse des dizaines de cellules,
ce qui permet d’obtenir un nombre suffisant de points pour une détermination précise de
sa trajectoire et donc de son impulsion.
POSTER 7
Données
Déclenchement et acquisition
Informations importantes sur le status des prises de données en cours
Tableau montrant le status des différents composants de l’expérience
Graphique symbolisant les différentes étapes du sytème de prise de données. Les
experts peuvent surveiller le taux d’occupation actuel des ressources de calcul ou les
problèmes éventuels affectant la prise de données.
Représentation d’une collision venant de se produire dans le détecteur
Graphique sur lequel les experts peuvent surveiller l’historique des prises de données.
Par exemple, une nouvelle acquisition avec collisions commence lorsque la barre
horizontale en haut devient verte. La ligne verte dans le graphique montre le taux de
données sélectionnées par l’électronique pour une analyse approfondie. Le triangle
blanc est une mesure du nombre d’événements enregistrés pour cette acquisition particulière.
Comment le système de déclenchement fonctionne-t-il ?
Le déclenchement de niveau 1 (L1) reçoit des dizaines de millions d’événements de
collision par seconde et en sélectionne moins de 100 000 pour permettre une analyse
plus approfondie ultérieurement.
Pour chaque collision classée comme intéressante par le déclenchement de niveau 1, le
système d’acquisition (DAQ) recueille les fragments de données fournis par les
différents composants du détecteur (plusieurs centaines) et les assemble en structures
appelés “événements”.
Ces événements sont alors envoyés vers la ferme de calculateurs du système de
déclenchement de haut niveau (HLT) pour des analyses plus précises, et seulement
environ une centaine par seconde sont conservés. Environ 100 Gigaoctets traversent le
système à chaque seconde.
Photo 1 et 2:
Exemple de cartes spécialement conçues pour opérer les sélections requises.
Photo 3:
Quelques uns des quasi 2000 serveurs de la ferme de calcul HLT située à Cessy,
France.
Photo 4:
Ensemble d’équipement commercial utilisé pour recueillir les données produites par le
détecteur et les transférer dans la ferme de calculateurs appliquant les algorithmes de
déclenchement de haut niveau (HLT).
Le LHC fournit 40 000 000 de collisions proton-proton par seconde. Si CMS conservait
toutes les données, le volume d’information généré correspondrait à 10 000 volumes de
l’Encyclopaedia Britannica. Pour réduire ce volume, les systèmes de déclenchement et
d'acquisition (TriDAS) opèrent une presélection sur les collisions les plus “intéressantes”
et rejettent toutes les autres (~99.99999%).
POSTER 8
CMS: une aventure mondiale
Photo 1: La collaboration CMS est l’une des plus grandes collaborations scientifiques
internationales jamais constituée. Elle réunit plus de 3000 chercheurs, ingénieurs et
étudiants venant de 182 instituts et de 42 pays.
Photo 2: Une petite partie de la collaboration CMS célébrant la découverte du boson de
Higgs en 2012, face à une photo en taille réelle du détecteur situé 100m plus bas.
Photo 3: Physiciens célébrant les premières collisions proton proton à 7 TeV dans CMS,
le 30 Mars 2010
Photo 4: Au travail dans la salle de contrôle de CMS au point 5, Cessy, France
Photo 5: Un chercheur met la touche finale à un Supermodule du ECAL
Photo 6: Une partie de l’équipe responsable de la dernière couche des services du
détecteur (câbles, fibres optiques et tuyaux de refroidissement)
Pour résoudre quelques-unes des énigmes de l’Univers, il est nécessaire de faire appel
à des scientifiques, ingénieurs et étudiants d’une multitude de disciplines. Les éléments
de CMS ont été conçus et construits dans des instituts dans le monde entier, ainsi que
dans l’industrie, avant d’être transportés au CERN pour le montage final.
Institutions impliquées dans CMS
Septembre 2013
POSTER 9
Construction de CMS
Photo 1: Une des 5 roues de la culasse du tonneau central, en cours d’assemblage à
l’aide d’une «araignée» (structure de support en gris)
Photo 2: Assemblage final de la culasse centrale de l’aimant
Photo 3: Assemblage final de l’aimant solénoïdal
Photo 4: Rayon cosmique enregistré durant le test en surface du solénoïde
Photo 5: Le détecteur petits angles du calorimètre hadronique lors de son
acheminement à Cessy
Photo 6: Vue des détecteurs de muons insérés dans la culasse (roues rouges)
Photo 7: Bobine solénoïde et éléments du détecteur en surface, à la veille du test de
l’automne 2006
Photo 8: Le premier disque des bouchons prêt à être descendu dans la caverne
Les composants de CMS ont été fabriqués tout autour du monde et l’assemblage final a
eu lieu à Cessy. Le détecteur CMS a été preassemblé en 15 grandes tranches et en
beaucoup d’autres éléments plus petits dans le hall de montage situé juste au-dessus
de la caverne. Ces éléments forment des couches autour du tube de faisceau, de sorte
que chaque section ressemble à une tranche d’oignon.
Photo 9:
Permutation des dernières tranches des bouchons avant leur descente dans la caverne
expérimentale
POSTER 10
Descente et installation souterraine
Main photo:
Descente de l'un des "calorimètres hadroniques avant", situés à proximité du
tube de faisceau de part et d'autre du détecteur.
Descente
Photo 1: L’un des disques sur le sol de la caverne, pendant qu’un deuxième est en train
d’être descend
Photo 2 : Une des tranches de CMS (ici un disque des bouchons) en train d’être
descendue dans la caverne expérimentale
Photo 3 : Il a fallu plus de 12 heures pour descendre la plus lourde des pièces (celle qui
contient le solénoïde) avec moins 10cm de marge de part et d’autre
Installation souterraine
Photo 1: Installation du tonneau du calorimètre électromagnétique
Photo 2: Installation du tonneau du calorimètre hadronique
Photo 3: Trajectographe et tonneau des calorimètres installés à l’intérieur de l’aimant
Photo 4: Installation du tube du faisceau
Photo 5: Le tonneau et un bouchon juste avant la fermeture, avec le tube du faisceau
visible au centre
Photo 6: Septembre 2008 : le détecteur CMS est fermé et est prêt pour le faisceau du
LHC
Dès que la caverne expérimentale de CMS a été prête à accueillir le détecteur, chaque
tranche, pesant entre 200 et 2000 tonnes, a été descendue à 100 mètres de profondeur,
afin d’être assemblée avec le reste du détecteur. Ce processus, qui a débuté en
novembre 2006, a permis que CMS soit entièrement assemblé et prêt pour le faisceau
du LHC en septembre 2008.
POSTER 11
Géographie du site et génie civil
L’expérience CMS se situe au pied du Jura, sur la commune française de Cessy, dans
le pays de Gex. La région de Cessy est habitée depuis l’époque romaine. En procédant
à des excavations sur ce site, les équipes de CMS ont découvert une villa romaine, et
de nombreux objets: des pots, des tuiles et des pièces de monnaie. Les pièces trouvées
avaient été frappées à Ostie, à Londres et à Lyon entre 309 et 315 de notre ère.
Après l’achèvement des fouilles archéologiques, le site de la villa a été recouvert d’une
couche de sable pour assurer sa préservation en vue d’une future mise au jour.
POSTER 12
Géographie du site et génie civil
La présence de nappes d’eau souterraines animées d’un flux important a rendu très
difficile l’excavation du puits de la caverne de CMS. En injectant de l’azote liquide (à 200°C), on a pu constituer un cylindre de glace sur une profondeur de 50m, à l’intérieur
duquel il a alors été possible de creuser le puits avant de couler le béton.
Environ 200 000 m3 de molasse a été retirée pendant l’excavation du puits et des
cavernes souterraines et utilisée par la suite pour constituer une colline artificielle sur le
site.
Le bâtiment de construction en surface a été achevé en 2000, alors que le puits et les
zones expérimentales souterraines étaient prêts à accueillir le détecteur CMS en 2005.
POSTER 13
Physique
Main photo: Visualisation d’un candidat boson de Higgs dans CMS
De quoi sommes-nous constitués ?
La matière ordinaire est constituée de trois particules stables : les électrons, les quarks
up et les quarks down. Les quarks up et down se combinent pour former les protons et
les neutrons, qui, à leur tour, se combinent avec les électrons pour former les atomes et
les molécules.
En outre, il existe des particules de matière instables : les quarks charme, étrange, top
et bottom ; deux cousins de l’électron, plus lourds, appelés muon et tau, et enfin le
neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Ces particules de
matière sont appelées génériquement les fermions.
Le modèle standard
Les fermions sont régis par quatre forces connues : la gravitation, l’électromagnétisme
et les forces nucléaires forte et faible. La force forte unit les quarks entre eux pour
former des particules composites ; la force faible joue un rôle dans les désintégrations
radioactives.
Le modèle standard de la physique des particules est un modèle mathématique qui
s’appuie sur la mécanique
quantique et la relativité et permet d’expliquer tous les fermions connus et toutes les
forces, à l’exception de la gravitation. Sont également décrites dans ce modèle les
particules porteuses de ces forces, qui sont appelées génériquement les bosons.
Le boson de Higgs
Les physiciens ont découvert que l’électromagnétisme et la force faible peuvent être
unifiés en ce que l’on appelle la force électrofaible, mais les symétries fondamentales
que suppose cette unification requièrent que toutes les particules soient dépourvues de
masse. Or, nous savons que tel n’est pas le cas !
En 1964, les physiciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont proposé un
mécanisme pour expliquer comment les particules acquièrent une masse par la brisure
spontanée des symétries sous-jacentes. Ils ont prédit qu’un champ imprégnant tout
l’Univers est responsable du mécanisme de brisure de symétrie électrofaible et qu’il a
pour vecteur une particule spécifique, appelée le boson de Higgs.
Les particules qui interagissent avec ce champ acquièrent une masse proportionnelle à
la force de cette interaction. Celles sur qui ce champ n’a aucun effet, comme les
photons (particules de lumière), n’ont pas de masse.
La collision ci-dessus produite à l’intérieur de CMS montre un candidat au boson de
Higgs qui se désintègre ensuite en deux photons (lignes en pointillé). En 2012, CMS et
ATLAS ont découvert une nouvelle particule dont les propriétés sont compatibles avec
celles du boson de Higgs prédit par le modèle standard.
Le prix Nobel de Physique 2013 a été attribué conjointement à François Englert et Peter
Higgs “pour la découverte théorique du mécanisme contribuant à notre compréhension
de l’origine de la masse des particules subatomiques, et qui fut confirmée récemment
par la découverte par les expériences ATLAS et CMS auprès du grand collisionneur de
hadrons (LHC) du CERN, de la particule fondamentale prédite”.
MATIÉRE 0,1m
QUARK ~10-18m
PROTON ~10-15m
NOYAU ~10-14m
ATOME ~10-10m
POSTER 14
Physique
Où est passée l’antimatière ?
Chaque particule élémentaire de matière est associée à une particule d’antimatière.
Lorsqu’une particule et une antiparticule entrent en contact, elles s’annihilent
mutuellement, ne laissant derrière elles que de l’énergie pure. Le positron (antiparticule
de l’électron) est la première antiparticule à avoir été observée.
Quand notre univers s’est formé, la même quantité de matière et d’antimatière fut
produite. Cependant, quelque chose s’est passé ayant entrainé un déséquilibre nous
conduisant à l’univers d’aujourd’hui. Quels sont les processus physiques responsables
d’un tel déséquilibre ? CMS étudie de nombreux processus physiques rares afin de
comprendre si le phénomène connu sous le nom de violation de CP en est responsable
ou bien si d’autres effets inconnus à ce jour jouent aussi un rôle primordial.
Image 1 : Une particule Upsilon produite se désintègre symétriquement en un muon et
un anti-muon.
Le champ magnétique au cœur de CMS courbe leurs trajectoires dans des directions
opposées.
La soupe primordiale
Les particules appelées gluons maintiennent les quarks ensemble pour former des
particules telles que les protons et les neutrons. Dans les conditions de température
extrêmement élevées qui régnaient dans l’univers primordial, on pense que les quarks
et les gluons se déplaçaient librement dans une sorte de plasma, appelé plasma de
quarks et de gluons.
En faisant entrer en collision des noyaux de plomb, comme le montre la représentation
graphique d’un événement ci-contre, CMS peut recréer les conditions qui prévalaient
quelques fractions de seconde après le Big Bang, afin d’étudier le plasma de quarks et
de gluons.
Les dimensions spatiales supplémentaires
Albert Einstein a démontré que les trois dimensions de l’espace peuvent être associées
avec la dimension temporelle, ce qui donne un espace-temps à quatre dimensions.
Toutefois, selon certaines théories telles que la théorie des cordes, notre Univers serait
constitué de plusieurs autres dimensions (jusqu’à 11 !). Ces dimensions
supplémentaires pourraient expliquer pourquoi l’intensité de la gravitation est si faible
par rapport à celle des autres forces. Certaines signatures ne peuvent être produites par
des collisions de protons qu’en présence de dimensions supplémentaires. De
nombreuses recherches sont en cours à CMS pour traquer ces signatures encore
jamais observées.
Matière noire et supersymétrie
D’après les observations des astrophysiciens, 95 % de l’univers est inconnu. 25 % de
l’Univers serait constitué de ce que l’on appelle la matière noire, que l’on ne peut
observer comme la matière ordinaire.
Selon la théorie de la supersymétrie (SUSY), l’une des théories en vogue qui va au-delà
du modèle standard, chaque fermion aurait un super-partenaire bosonique, et chaque
boson un super-partenaire fermionique. Dans certains modèles supersymétriques, l’une
de ces nouvelles particules postulées est également une candidate à la matière noire et
pourrait expliquer toute la matière manquante de notre Univers. Toutefois, le principal
objectif de la supersymétrie est le « problème de la hiérarchie », qui a trait aux
différences d’intensité entre les forces gravitationnelle et électrofaible.
Si des particules supersymétriques se trouvent dans la gamme d’énergies du LHC, elles
devraient être produites lors des collisions de protons à CMS.
Image 2 : Une profusion de ‘jets de particules’, comme dans cet événement d’une
collision dans CMS, pourrait indiquer la présence de dimensions supplémentaires dans
notre univers.
Poser des questions et essayer de comprendre le monde qui nous entoure est ce qui
différencie les êtres humains des autres espèces de notre planète. À CMS, les
scientifiques étudient l’inconnu et s’efforcent de répondre aux questions les plus
fondamentales concernant notre Univers.
Il y a environ 13 700 000 000 années, une gigantesque explosion donnait naissance à
notre Univers et à tout ce qu’il contient. Cette explosion, appelée Big Bang, a laissé
l’Univers dans un état très dense et très chaud. Très rapidement, l’Univers a alors
refroidi et les conditions ont ainsi été réunies pour donner naissance aux constituants
fondamentaux de la matière qui nous entoure.
Pour étudier ces constituants fondamentaux ainsi que d’autres particules qui ont existé
uniquement aux premiers instants de l’univers, le LHC fait entrer en collision des
protons à des énergies encore jamais atteintes dans un environnement contrôlé.
Des collisions de noyaux de plomb ont également lieu au LHC, le but étant de recréer
les conditions chaudes et denses de l’univers primordial et d’étudier le comportement de
la matière dans ces conditions.