LHC_Atlas - indico in2p3

MasterClass 2016
LAPP, Annecy-Le-Vieux
La physique des particules
dans ATLAS
Stéphane Jézéquel
Le Modèle Standard
Bosons sans masse !
La matière
Leptons
Les interactions
Quarks
Boson de Higgs
Prédit en 1964
Découvert
au LHC en 2012 !
Bosons de grande masse !
Composants
de nos atomes
(particules stables)
Particules instables
produites dans les accélérateurs
ou dans les rayons cosmiques
Peter Higgs et son boson
Aussi Francois Englert et Robert Brout (physiciens
théoriciens belges)
Comment le boson de Higgs
«génère» la masse Pendant très longtemps, les physiciens ont pensé que la
masse était une propriété intrinsèque des particules
→ Celà veut dire que la masse est portée par les
particules elles-mêmes (exactement comme leur
charge électrique)
Mais : les équations du Modèle Standard nous disent
que les particules sont sans masse !
La théorie de Peter Higgs résoud le problème :
les particules n'ont pas de masse
c'est l' interaction des particules avec le champ de
Higgs qui leur donne une masse apparente
Comment le boson de Higgs
«génère» la masse La découverte du boson de Higgs est une révolution dans
notre façon de comprendre la masse
L'annonce de la découverte
4 juillet 2012
Mais il reste des questions....
Où est la matière noire ?
Et quelle est sa véritable nature ?
La réponse est-elle au cœur des
particules ?
Le Modèle
Standard
Nouvelles particules ?
Quel modèle ?
La matière manquante
dans l'Univers ?
Comment créer ces nouvelles particules ?
(si elles existent)
Albert Einstein a dit...
Pour créer de la masse, il faut de l'énergie
Il faut un très gros accélérateur
Le LHC
Collisionneur de protons à haute énergie
- Tunnel de 27 km de circonférence
- 1626 aimants supraconducteurs refroidis à -271° C
- Accélération de protons (noyaux d'hydrogène)
à une vitesse proche de celle de la lumière
- 4 expériences pour observer les collisions
LHCb
CMS
ALICE
ATLAS
Consommation électrique
- Accelérer des particules → champs électriques
- CERN consomme 200 MW lorsque LHC fonctionne
(1/3 consommation de la ville de Genève)
- Pour réduire la consommation, maximise l'utilisation
de câbles supraconducteurs (1.9 K)
→ Utilisation haute technologie
Programme LHC (2010-2037)
Luminosité intégrée (fb-1) =  Luminosité instantanée (cm-2 s-1) . dt
Programme LHC (2015-2019)
Collisions de protons
13 TeV : 2015 : 3 fb-1 ; 2016 : 30 fb-1 (x10) , 2018 : 100 fb-1 (x30)
Les collisions au LHC
Deux faisceaux de protons circulent en sens opposés dans le tunnel
Lancés à 99,9999991 % de la vitesse de la lumière
Chaque paquet de protons fait 11 000 fois le tour du LHC en 1 seconde !
Énergie de chaque proton = 7 TeV = énergie d'un moustique en vol
100 milliards de protons par paquet = 100 milliards de moustiques
soit l'énergie d'un TGV à 150 km/h... concentré dans une tête d'épingle
Une collision
désintégration
secondaire
?
Transformation de l'énergie en masse
Apparition de nouvelles particules
Comment retrouver la particule
désintégrée ?
?
m1
M
m2
?
M > m1 + m2
+
=
énergie
totale
masse
mouvement
Pour reconstruire la masse des particules désintégrées,
il faut mesurer l'énergie et la masse de toutes les particules
produites lors de la collision
Histogramme et mesure
Une mesure est toujours
entachée d'incertitude :
Précision de l'instrument
de mesure
Calibration de l'instrument
Erreur de manipulation
Nombre de mesures
Pour limiter ces erreurs, il faut :
Faire un grand nombre de
mesures
Utiliser des objets connus pour
calibrer notre instrument
Masse [GeV]
Si possible, réaliser la même
mesure plusieurs fois avec des
instruments différents
Chercher le J/y, le Z... puis le reste
Avant de rechercher de nouvelles particules inconnues,
il faut d'abord s'assurer que notre détecteur est
correctement calibré.
Pour cela, il faut commencer par identifier les particules
connues, et mesurer leurs propriétés avec précision.
Par exemple : le boson Z, dont la masse est
parfaitement mesurée : 91.187 GeV
Le boson Z a une durée de vie très courte ( 3.10-25
secondes). Il est instable et se désintègre :
Le boson Z est invisible. Seuls les produits de sa désintégration
(électrons ou muons) laisseront une trace dans notre détecteur.
Exemple de reconstruction (facile !):
le J/Y en deux électrons
Signal = une particule
qui s'est désintègrée
en deux électrons
Masse = 3 GeV
ATLAS a « redécouvert »
les particules que l'on connait déjà
?
Distributions de la masse de paires de muon-antimuon
Un exemple beaucoup plus difficile:
le boson de Higgs en deux photons
mgg
Un autre canal de détection :
H → ZZ → 4 e/m
m4l
Observation simultanée par CMS :
Confirmation avec
autre technologie de détecteur
Est ce le boson de Higgs ?
Toutes les mesures actuelles collent avec boson de Higgs
D'autres particules produites
au LHC ?
Recherche de particules exotiques?
48
analyses
Recherche de
particules supersymétriques?
51
analyses
Etat final diphotons : ATLAS
Excès à 750 GeV
Présentation de premiers résultats en décembre 2015
Dec-Mars : Travail intensif d'approndissement et de
vérifications (équipe LAPP pilote)
Mise à jour des résultats présentés la semaine dernière
Etat final diphotons : CMS
Pic à même masse
Une nouvelle particule ou
Fluctuation du bruit de fond ?
Deux options encore possibles : fluctuation statistique
ou nouvelle particule
LHC va produire x10 données en 2016 Réponse attendue à l'été 2016 si LHC délivre x3
quantité de données
Type de nouvelle particule ?
Ce n'est pas une particule du Modèle Standard
Beaucoup de papiers théoriques
Stay tuned
Identifier les particules
Electrons
Photons
Muons
Récapitulatif
électron
muon
Chambres
à muons
Calorimètre
hadronique
Calorimètre
électromagnétique
Dépot électromagnétique
Une unique trace chargée
Neutrino
Très peu de dépot
Une unique trace chargée
Jusqu'aux chambres à muons
Jets de quarks et gluons
Détecteurs
de traces
chargées
Energie manquante
Dépot hadronique
Plusieurs traces chargées
Comment identifier les particules ?
Retrouver leurs caractéristiques
Masse
Charge électrique
Energie
En mesurant :
Trajectoire → charge, impulsion (masse x vitesse)
Energie / type d'interaction subie par la particule
électron/photon : interaction électromagnétique
quarks : interaction forte
muon : peu d'interaction dans la matiere
neutrino : invisible !
La trajectoire - Principe
Une particule électriquement chargée est
deviée par le champ magnétique d'un aimant
→ Les particules neutres vont tout droit → Les particules chargées spiralent
Plus une particule va vite, plus elle
est lourde, moins sa trajectoire sera
perturbée par le champ magnétique
→ La courbure de la trajectoire donne
une mesure combinée de la vitesse et
de la masse
Détecteur de traces chargées
Couches
concentriques, proches
du point de collision
Particule neutre :
pas de points
de mesure !
Particule chargée
très énergétique :
pas de courbure !
Les particules
chargées arrachent
des électrons sur leur
passage :
Particule chargée
négativement
Particule chargée
positivement
Attentions aux pièges !
conversion
Photon (électriquement neutre) → électron (négatif) + positron (positif)
L'énergie - Principe
Pour mesurer l'énergie
des particules, il faut
réussir à les arrêter, en
les freinant grâce à de
très grandes quantités
de matière.
Plus les particules sont
énergétiques, plus la
quantité de matière
traversée sera
importante.
Deux particules
échappent à cette règle :
→ Le neutrino
→ Le muon
Le calorimètre
matériau
détecteur
matériau
absorbeur
Particule
→
Sandwich de matériaux:
absorbeurs : milieux
denses où les particules
interagissent
détecteurs : comptage
des particules secondaires,
proportionnelles à la perte
d'énergie.
Deux types de calorimètres
électromagnétique : stoppe
facilement les photons et
électrons, qui interagissent
beaucoup avec la matière
hadronique : stoppe les
particules constituées de quarks
(les «jets»)
Jets
Le Détecteur ATLAS
Diamètre: 25 m (un immeuble de 7 étages)
Longueur: 46 m (une piscine olympique)
Poids: 7000 tonnes (la Tour Eiffel)
3000 km de câbles (distance Paris - Athènes)
100 millions de canaux (photo de 10 000 x 10 000 pixels)
3000 physiciens et ingénieurs
Ceci est un
bonhomme
à l'échelle
Une communauté mondiale pour
tout faire fonctionner : le CERN
Fondé en 1954 à Genève pour reconstruire
une communauté scientifique européenne
détruite après la seconde guerre mondiale
20 états membres contribuent au budget
(accélerateurs et frais de fonctionnement)
Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie,
Danemark, Espagne, Finlande, France,
Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas,
Pologne, Portugal, République Slovaque,
République tchèque, Royaume-Uni, Suède,Suisse
30 états non-membres participent
aux quatres expériences du LHC
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Afrique du Sud, Algérie, Argentine, Arménie,
Australie, Azerbaïdjan, Bélarus, Brésil, Canada,
Chine, Chypre, Croatie, Estonie, Géorgie, Inde,
Iran, Irlande, Islande, Maroc, Mexique, Pakistan,
Pérou, Roumanie, Serbie, Slovénie,
Corée du Sud,Taiwan, Ukraine
10 000 visiteurs
608 instituts
113 nationalités
Invention du Web au CERN
1989 : Idée du Web : T. Berner-Lee:
Permettre aux chercheurs du monde entier
de partager des informations
1990 : Premier démonstrateur
1991 : Premier serveur hors Europe
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