Atlas au LHC - Université de Genève

ATLAS au LHC
Séminaire d’orientation pour les étudiants
Genève, le 6 et 13 novembre 2001
Lorenzo Moneta
(Email: [email protected])
copie de la présentation sur le site: http://alephwww.cern.ch/~moneta/atlas/index.htm
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Table des matières
• Première partie (aujourd'hui)
–
–
–
–
–
Introduction
Les particules élémentaires et leurs interactions
Le modèle standard
Pourquoi avons-nous besoin du LHC ?
Qu ’est-ce que le LHC ?
• Deuxième partie (prochaine semaine)
– Qu ’est-ce que l ’expérience ATLAS ?
– Université de Genève et ATLAS
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Quelques échelles
De plus en plus petit:
homme
mesure habituelle (vernier)
microscope
microscope électronique
physique nucléaire
physique des particules
1,8 mètre
0,1 mm
1 micron
1 atome
1 noyau
….
10
10
10
10
10
m
-6 m
-10 m
-15 m
-18 m
-4
De plus en plus énergique (l = h / p) :
Lumière visible (0,6 microns):
électrons dans un tube de télévision
électrons de LEP au CERN (2000)
protons du LHC au CERN (2005)
2,5 eV*
104 eV
1011 eV = 100 GeV
(1 GeV = 109 eV)
14 x 1012 eV
= 14 TeV
(*) eV  électrons-volt
De plus en plus proche des origines de l’univers:
10 -18 m = 100 GeV = énergie par particule = 10-10 secondes après le BIG
BIG BANG
BANG
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De plus en plus proche du BIG-BANG
E = kT
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Histoire de la physique des particules
• 1900 Découverte de l ’ électron par Thompson
• 1930 Découverte de la première anti-particule: le positron (e+)
• 1936 Découverte du muon (m) indiquant l ’ existence de la
deuxième génération
• 1950s-1960s Plusieurs baryons et mesons sont découverts.
Leurs propriétés sont expliquées avec un modèle qui prévoit
l ’existence des quarks comme composants des hadrons.
• 1968 Evidence directe de l ’existence du quarks
• 1970s Découverte du lepton t et du quark b , qui indiquent
l ’existence des trois générations.
• 1980s Découverte des bosons W et Z : confirmation de la
théorie électrofaible
• 1990s Mesures précises des propriétés des W et Z au LEP et
découverte du quark top à Fermilab: confirmation du Modèle
Standard avec trois générations.
• 2000s LHC ………………
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Les particules élémentaires
• Les constituants élémentaires de
l ’univers sont des particules avec spin
1/2 (fermions) : quarks et les leptons.
• Pour chacune de ces particules il existe
aussi une anti -particule avec la même
masse et nombres quantiques opposés
(ex: la charge électrique)
• Les quarks et leptons sont classifies
dans trois générations.
• Pour chaque génération il existe deux
types de particules :
– les leptons chargés (électron) et
neutres (neutrino)
– les quarks up (charge +2/3) et down
(charge -1/3)
Matière Ordinaire : Quark up + down (proton, neutron) + Électron
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Les Quarks
Atome classique
• Les quarks existent dans 23 flavours
• Les quarks n ’existent pas dant l ’état
libre mais sont liés dans les hadrons
par l ’interaction forte
• Les hadrons formés des 3 quarks sont
des baryons (p=uud,n=udd)
• Les hadrons formés d ’un quark et un
antiquark sont des mésons (p,K)
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Atome moderne
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Les interactions fondamentales
• L ’interaction gravitationnelle
(phénomènes astronomiques)
• L ’interaction électromagnétique
(électricité, magnétisme, réactions
chimiques)
• L ’interaction forte (cohésion des
noyaux atomiques)
• L ’interaction faible (radio-activité
beta qui permet les réactions
nucléaires à la source de l ’énergie du
soleil)
Toutes les forces du monde peuvent être attribuées
à ces quatre interactions
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Les théories unifiées
Le rêve des physiciens est d ’unifier toutes les interactions en
une seule interaction universelle………
•
1865 Maxwell développe la théorie des
interactions électromagnétiques
•
1967 Glashow, Salam et Wienberg
développent une théorie qui unifie les
interactions faibles et
électromagnétiques: la théorie
électrofaible
•
Dans les années 80, l ’interaction
forte est ajoutée (mais pas encore
unifiée) à la théorie électrofaible:
 le Modèle Standard
•
Le but aujourd'hui est d ’unifier les
interactions électrofaible et forte
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Le Modèle Standard
• Le Modèle standard est la théorie actuelle des particules
élémentaires
– il englobe toutes les particules connues ainsi que les trois
interactions: électromagnétique, forte, faible, sauf la gravitation
– il donne des prédictions théoriques en remarquable accord avec les
mesures de précision effectuées
exemple: les mesures des propriétés de boson Z mesurés au
collisionneur e+e- LEP (Large Electron Positron collider) du CERN
• La force entre les fermions élémentaires est véhiculée par une
particule messagère qui a un spin entière (boson)
– le photon pour la force électromagnétique
– W et Z pour les interactions faibles
– 8 gluons (g) pour les interaction fortes
particule
messagère
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L ’interaction entre les particules
• En physique des particules, plus la
particule d ’une interaction sera
lourde, plus cette interaction sera
de courte portée
Exemples:
•
Interaction électromagnétique avec
échange d ’un photon (Mg = 0)
 portée d ’interaction = 
•
Interaction faible, désintégration beta,
avec échange d ’un W (MW= 80 GeV/c2)
 portée d ’interaction  10-18 m
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-
+
g
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Questions ouvertes du Modèle Standard
• Le modèle standard figure parmi les plus grands monuments de la
physique.
• Mais d ’importants mystères demeurent concernant les particules
et les forces fondamentales:
– Pourquoi la nature produit-elle en trois exemplaires la famille
des particules des quarks et des leptons ? Sont-ils vraiment
élémentaires ?
– Pourquoi l ’antimatière semble-t-elle avoir disparu de
l ’Univers ?
– Quelle est la cause de l ’origine et de la répartition de la
masse dans les particules ?
– Pourquoi la particule W est-elle très lourde et le photon léger
alors que tous les deux sont des particules messagères
(porteuses de force) ?
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Le mystère de la masse: le boson de Higgs
• Le masses des particules qui transmettent les forces
fondamentales sont:
– photon: M = 0
– boson W, Z : M  80-90 GeV/c2
• Hypothèse du Modèle Standard, pas encore vérifiée:
– il y a une nouvelle particule: le boson de Higgs
– le Higgs interagit avec d ’autres particules
– les masses des particules sont fournit avec cette interaction
avec le boson de Higgs:
• W et Z interagissent fortement avec le champ de Higgs et sont
lourdes
• le photon n’interagit pas, donc M(g) = 0
• Le collisionneur e+e- LEP a exclu l ’existence du boson de Higgs
avec M(H)  110 GeV/c2
il faut attendre LHC (ou Tevatron) pour le découvrir !
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Le phénomène de Higgs
Un salle pleine de physiciens
conversant calmement est
comme l ’espace occupé par
le champ de Higgs…..
Une sommité scientifique
Ce qui accroît la résistance à
entre, créant une perturbation son déplacement, il acquiert
sur son passage..
de la masse
Si une rumeur traverse la salle...
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Elle donne naissance
à un essaim de
même type, mais
composé des seuls
physiciens. Cet
essaim représente la
particule de Higgs
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Pourquoi avons-nous besoin du LHC ?
•
•
La recherche du boson de Higgs est la priorité des expériences au LHC
(ATLAS, CMS)
Si le boson de Higgs n ’existe pas alors:
– LHC nous guidera vers la bonne réponse
– par exemple il existe une théorie qui prévoit que quarks et leptons ne soient
pas fondamentaux mais constituent des objectes plus petits
– avec l ’énergie du LHC, ces théories seront mises à l'épreuve
• Si le boson de Higgs est découverte, de nombreuses
énigmes seront encore sans solutions:
– Les forces apparemment distinctes de la nature ne
sont-elles en réalité que divers aspects d ’une force
unique ?
– Comment la gravité peut être unifiée avec les autre
forces ?
– Nous savons qu ’il doit y avoir beaucoup plus de
matière dans l ’Univers que ce que nous observons.
Quelle est cette matière noire invisible ?
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La Supersymétrie
• Toute une gamme d ’hypothèses théoriques ont été proposées pour
répondre aux questions que laisse de côté le modèle standard.
• La théorie plus populaire est la Supersymétrie (SUSY)
• SUSY prédit que à chaque particule connue
correspond un partenaire, avec la même charge
mais différentes propriétés (masse, spin)
– Les fermions (spin 1/2) ont des partenaires
scalaires (spin 0):
• quark  squark ( top  stop )
• lepton  slepton ( électron  sélectron )
– Les bosons (spin 1) ont comme partenaires des
fermions (spin 1/2) :
• W et Z  W-inos et Z-inos
– Le boson de Higgs  5 particules de Higgs
• La théorie prédit que les masses des super-particules seraient
accessibles aux énergies produites dans le LHC.
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Les phénomènes expliquées par SUSY
• SUSY explique pourquoi les forces possèdent des intensités
différentes
L ’unification entre les interactions
fortes, faibles et électromagnétiques
à haute énergie serait possible avec
la supersymétrie
• SUSY permettrait également d ’expliquer l ’existence de la
mystérieuse matière sombre de l ’univers
– elle pourrait être constituée des super-particules stables non
encore détectées (neutralino)
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Chercher plus loin ?
• Les preuves, si SUSY est la bonne théorie, seront observables
dans les expériences du LHC (ATLAS)
– des super-particules seraient accessibles aux énergie du LHC
• mais SUSY n ’est pas la seule théorie proposée.
– diverses théories, dépassant le modèle standard, ont été proposées
et elle pourraient expliquer certains mystères qui demeurent encore
dans la physique des particules
• Le rêve est de formuler une théorie qui puisse unifier la gravité
avec toutes les autres forces.
 l ’unification en une seule interaction universelle………
gravité
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Qu ’est-ce que le LHC ?
• Le grand collisionneur des hadrons LHC est un accélérateur de
particules qui sondera la matière plus profondément que jamais
• Sa mise en service est prévue pour 2005 et, à terme, il produira
des collisions entre des faisceaux des protons à une énergie de 14
TeV (14000 milliards d’ électrons-volts) dans le centre de mass
• Les faisceaux de particules sont accélérés et projetés les uns
contre les autres.
p
p
Energie CM = 14 TeV
q
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q
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Pourquoi des collisionneurs ?
• Pour étudier des particules de plus en plus petites il faut avoir
une très grand impulsion (ou énergie)
– l = h/p E = pc (pour v  c)  l  1/E
• On peut avoir deux types des collisions:
– avec une cible fixe
Ecm = 2M c c 2 E p
• Ex: pour protons en collision avec
une cible de proton:
– Ep = 7 TeV  Ecm = 0.12 TeV
– avec des anneaux de collision
Ecm = 2 E p
• Ex: protons LHC, Ep = 7 TeV  Ecm = 14 TeV
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Comment fonctionnera le LHC?
•
•
•
•
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Le LHC sera installé dans le même
tunnel que LEP
Il accéléra deux faisceaux de
protons circulant en sens opposés en
utilisant des champs électriques
Pour maintenir les faisceaux sur leur
trajectoire, il faut des champs
magnétiques très intenses
Des aimants supraconducteurs sont
utilisés pour obtenir les champs
magnétiques nécessaires ( B = 8 T)
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Ecm = 2M cc Ep
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Point de collision: les événements
Un événement
•
•
•
•
Les protons sont groupés dans des paquets cylindriques de quelques
centimètres de longueur
Chaque 25 ns (40 MHz), il y aura un croisement des paquets dans les zones
de l ’accélérateur où les expériences sont placées
Il y aura 23 collisions p-p toutes le 25 ns pour une luminosité de 1034 cm2s-1
La luminosité (L) est liée à l ’intensité des faisceaux et permet de calculer
le nombre des événements observés:
– N = L x s (s est la section efficace de l ’interaction)
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Sommaire de la première partie
• Le LHC est le collisionneur avec l ’énergie la plus élevée de
tous les accélérateurs du monde et les faisceaux les plus
intenses.
• D ’immenses détecteurs sont construits
pour étudier ce qui passe lors des
collisions:
– CMS et ATLAS ( prochaine semaine)
sont des détecteurs polyvalents
– LHCB pour étudier la physique du
quark b
– ALICE pour étudier les collisions des
ions lourds (noyaux de plomb)
 Le LHC nous aidera pour avoir un
compréhension plus complète de
l ’univers
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Uhmm…. L’expérience
ATLAS donnera
quelques réponses !
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