CEPULB-08_partie I
publicité
LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles réponses nous apportera-t-il? 1ère partie CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 1 Contenu 1ère partie: 2ème partie Introduction : Le LHC Le Modèle Standard de la physique des particules: les particules élémentaires les forces fondamentales L’évolution CEPULB - 9 décembre 2008 Que cherchera-t-on au LHC ? L’expérience CMS La contribution belge La grille de calcul (GRID) Où en est-on? de l’univers C. Vander Velde 2 Le grand collisionneur de hadrons, le LHC LHC = Large Hadron Collider Hadron : protons ou ions de plomb 100 m protons protons 7 TeV 7 X l’énergie du Tevatron (USA) Energie de l’univers 10-10s après le bigbang vp = 99,9999991 % c c=300.000 km/s 1 TeV = 1 téraélectronvolt CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 7 TeV 1 TeV = 1 x 1012 eV 3 Schéma du LHC 100 m CEPULB - 9 décembre 2008 = 27 km C. Vander Velde 4 Le site du LHC Jura Léman 27 km 10027 m km aéroport LHC CERN CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 5 Le tunnel du LHC 120 tonnes d’ Helium -271,3° C (1,9 K) Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants Le plus grand frigo du monde! et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers d’aimants supraconducteurs. protons : ~11.000 tours de 27 km par seconde 10-13 système cryogénique atm 8,3 tesla 32.000 l d’helium liquide/heure CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 6 Les détecteurs au LHC Détecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches spécifiques CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 7 Les détecteurs au LHC ATLAS CMS Immeuble de 5 étages 15 m CEPULB - 9 décembre 2008 ~6.000 T Velde C. Vander ~12.500 T 8 Le LHC : pourquoi ? Comprendre les lois de la nature Physique des particules élémentaires : Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires? Quelles sont les forces qui les font s’assembler ? Cosmologie : Etude de la structure et de l’évolution de l’Univers CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 9 Les particules élémentaires philosophes grecs : Anaximène et Thalès (VIème et Vème av. J.C.): eau, air, feu (,terre). Leucippe et Démocrite (Vème et IVème av. J.C.): atomos (atomes) CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 10 Les particules élémentaires neutrons électrons d u d quarks noyau protons u atome CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde u d quarks 11 Ordre de grandeur des dimensions CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 12 Ordre de grandeur des dimensions Atome (grossi mille milliards de fois ) A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 13 Les particules élémentaires La découverte de l’électron (Thomson – 1897): qe = - 1,602 10-19 C (charge négative) me ~ mH / 2000 L’électron est une toute petite partie de l’atome! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 14 Les particules élémentaires Les expériences modernes : détecteur particules accélérées Les quarks sont liés à l’intérieur de particules, non élémentaires, appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des hadrons CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 15 Les particules élémentaires Principe des expériences de diffusion : Cible diffuse : pas de déviation angle de déviation faible Cible ponctuelle : angle de déviation important On peut tirer des conclusions sur la structure interne des particules cibles en étudiant la distribution des angles de déviation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 16 Les particules élémentaires La structure du proton années 50-60 : e- ep Le proton a une certaine étendue dans l’espace 10-15 m en 1970, à plus haute énergie (20 Gev) : e- CEPULB - 9 décembre 2008 e- p C. Vander Velde Dans le proton, il y a des grains durs, les quarks! 17 Les particules élémentaires Les constituants élémentaires de la matière stable sont les électrons, les quarks up et les quarks down 0 Exemple : noyau d’hélium 0 + - 4 2 He + http://cpep.lal.in2p3.fr/ CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 18 Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute matière connue, stable et instable : Les quarks CEPULB - 9 décembre 2008 Les leptons C. Vander Velde 19 Les particules élémentaires Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule : p p = antiproton charge - n n = antineutron charge 0 e- e- = e+ = positon ou positron même masse, même temps de vie, charges opposées. ee+ 1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) : le positron. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 20 Les interactions fondamentales .. .10-2. . . -40 10 Force gravitationnelle Force électromagnétique -5 10 1 noyau Force forte ou de couleur CEPULB - 9 décembre 2008 atome Force faible C. Vander Velde n p + e- + n e d u + e- + n e 21 Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 22 Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: © David Calvet http://www.cerimes.education.fr/ Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ». La portée de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 23 Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons; le photon est le médiateur des interactions é.m.. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 24 Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. Exemple: p + + e- p + + e- mγ = 0 qγ = 0 portée infinie http://www.cerimes.education.fr/ CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 25 Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m.. p + + e- p + + e- Exemple: + + e p diagramme de Feynman ep++ γ e- échange d’un photon e- L’électrodynamique quantique est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 26 Les interactions fondamentales La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam): Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon + Interactions faibles, médiateurs: bosons Z0, W+ et W- m W = 80 Gev/c 2 mZ = 91 Gev/c2 Exemple 1: ν μ + n μ + p νμ μ - W n CEPULB - 9 décembre 2008 - lourds! nm + d(du) m- + u(du) échange d’un boson W“courant chargé” p interaction à courte portée C. Vander Velde 27 Les interactions fondamentales La théorie électrofaible: nm + e- nm + e- Exemple 2: νμ νμ Z0 e e- échange d’un boson Z° “courant neutre” IIHE (ULB-VUB) Etapes importantes: • • courants neutres observés - CERN - 1973 bosons Z0, W+ et W- observés - CERN - 1983 Unification de 2 des forces! CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 28 Les interactions fondamentales La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8. http://www.cerimes.education.fr/ La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ». Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 29 Le Modèle Standard (SM) Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev) g matière familière matière instable I CEPULB - 9 décembre 2008 II III C. Vander Velde 30 L’évolution de l’univers L’univers est en expansion: Vitesse (kilomètres par seconde) Hubble (1929): les galaxies se fuient Distance (Mpc) L’univers gonfle comme s’il était le résultat d’une gigantesque explosion : le big-bang. L ’énergie diminue, c’est-à-dire que l’univers se refroidit. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 31 L’évolution de l’univers Etape 1 : l’inflation ? t 0: moment du big-bang : énergie infinie en un point inflation : l’univers augmente de 1030 en 10-35 s t0 +10-12 s: 1000 GeV Z g Z 0 g W- g W νe g Z - W + e g g Z0 e + 0 + g e- g 0 g c c νμ μ Créations par paires énergie e+ + eénergie q + q E = mc² , Einstein W+ + μ+ Z0 Annihilations: e+ + e- énergie q + q énergie μ- Légère asymétrie – matière antimatière : N q 1, 000000001N q CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 32 L’évolution de l’univers Etape 2 : baryogénèse t0 +10-10 s: 100 GeV Il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quarkantiquark, seuls restent quelques quarks en excès, les plus légers, up et down, les autres s’étant désintégrés. t0 +10-4 s: 1 GeV Ils s’assemblent sous l’effet de la force de couleur pour former des protons et des neutrons ( ce sont des baryons). Univers : protons, neutrons, électrons, neutrinos et radiation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 33 L’évolution de l’univers Etape 3 : nucléosynthèse t0 +100s: 100 eV 1 milliard de degrés Les premiers noyaux d’He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 se forment : p p d e v p d t e v d t He4 n p p n p e+ d n t p d He4 n e+ n t t0 +30 minutes: Univers : noyaux légers, électrons, neutrinos et radiation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 34 L’évolution de l’univers Etape 4 : formation des atomes t0 +700.000 e- ans: 3000 degrés Les atomes les plus simples se forment sous l’effet de la force é.m. : H1 et He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 e- Univers : atomes légers, neutrinos et radiation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 35 L’évolution de l’univers Etape 4 : formation de la matière puis, plus tard: formation des agglomérats de matière sous l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….amas, ...planètes, ….la vie! t0 + 13,7 milliards d’années : aujourd’hui CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 36 Pour en savoir plus : Le CERN et notamment le LHC pour le public : http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html Physique des particules : http://cpep.lal.in2p3.fr/adventure.html Univers des particules, Michel Crozon – Le Seuil (1999) Une brève histoire du temps, Stephen Hawking – Flammarion (2008) Merci à tous mes collègues, de Bruxelles et de la collaboration CMS ainsi qu’aux auteurs des divers sites, à qui j’ai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation. CEPULB - 9 décembre 2008 C. Vander Velde 37
