Introduction à la physique du LHC

1. Introduction à la physique du LHC

2. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse • L'interaction gravitationnelle : • Responsable de la pesanteur, des marées ou encore des phénomènes astronomiques. • L'interaction électromagnétique : • Responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques. • L'interaction forte : • Responsable de la cohésion des noyaux atomiques. • L'interaction faible : • Responsable de la désintégration de nombreuses particules. Les interactions fondamentales :

3. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Les particules élémentaires de matière stable : u : quark up d : quark down proton neutron Avec les électrons, les quarks « up » et « down » forment les constituants élémentaires de la matière stable. Les quarks ne peuvent jamais être libres car l’interaction entre quarks augmente avec la distance.

4. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse De même, en physique des particules : Exemple de l’échange d'un photon entre deux électrons. Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule : Vecteur de l’interaction. La notion d’échange : Interaction à distance entre les deux barques par échange d’une boule.

5. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Échanges de gluons entre quarks. Echange de couleur dans le nucléon : L’interaction forte entre quarks est due aux charges de couleur des quarks.

6. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Interaction Portée Intensité Vecteur 1 Forte 1.5 - 2 fm 8 gluons Electro-magnetique ~ 10-3 Photon ¥ Bosons Z 0 W+ W- ~ 10-5 1/100 fm Faible ~ 10-38 Gravitationnelle Graviton ? ¥ Masse nulle Masse nulle Masse !!! Masse nulle

7. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Il existerait un champ qui emplirait tout l’espace, le champ de Higgs auquel est associée une particule : le boson de Higgs. Les vecteurs de l’interaction faible interagiraient avec ce champ en avançant dans l’espace comme dans une « mélasse épaisse ». Masse Que dit la théorie ? D’après le modèle standard, tous les vecteurs devraient être sans masse. Pourquoi les vecteurs de l’interaction faible sont-ils massifs ?

8. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Les particules élémentaires interagiraient avec le champ de Higgs. Mécanisme de Higgs donnant une masse aux particules. La masse des électrons et des quarks serait une manifestation des interactions avec le champ de Higgs dans lequel ils « baignent ».

9. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Vue schématique du LHC

10. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Les résultats des expériences ATLAS et CMS Évènement qui pourrait être la désintégration d’un boson de Higgs en quatre électrons. Évènement qui pourrait être la désintégration d’un  boson de Higgs en deux photons (lignes vertes).

11. Introduction à la physique du LHC Le Higgs ou le mystère de la masse Juillet 2011 Higgs g + g CMS La probabilité d’obtenir un tel signal sans particule supplémentaire est d’environ un sur trois millions. Une nouvelle particule est observée avec une masse de 125 GeV dans les expériences ATLAS et CMS. Cette particule est compatible avec l’hypothèse du boson de Higgs du modèle standard.

12. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Température d'environ 100 000 fois celle régnant à l'intérieur du Soleil. Matière nucléaire Plasma quark-gluon : Milieu déconfiné de quarks et de gluons. Les états de la matière : Exemple de l’eau Température

13. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ? Plasma quark-gluon Big-bang Temps : 10-35 seconde Taille : 10 cm Température : 1028 K Intérêt en cosmologie : état de l’univers 10-6s après le Big-Bang. Temps : 15 milliards d’années (aujourd’hui)

14. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Plasma quark-gluon ? Intérêt astrophysique : cœur des étoiles à neutrons ? Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ? Etoile qui explose Etoile à neutrons Supernovae Diamètre = 15 km Masse ~ soleil

15. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Plasma de quarks et gluons Compression Chaleur Comment ? Recréer le plasma quark-gluon en laboratoire : refaisons le chemin en sens inverse

16. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Le mini Big Bang 1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale. 2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons. 3. Les quarks et gluons interagissent sous l’effet de l’interaction forte. 4. Le système se dilue et se refroidit. 5. Quarks et gluons condensent pour former par exemple des nucléons.

17. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Vue schématique du LHC

18. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers L’expérience ALICE au LHC

19. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers Collisions d’ions lourds relativistes : Collisions plomb-plomb au LHC. Pour extraire des informations sur le plasma quark-gluon, on procède à des comparaisons de collisions plomb-plomb et proton-proton, dans les mêmes conditions d’énergie.

20. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers 60 << 62 A quoi faut-il s’attendre ? Une collision : Pb+Pb à 5.5 TeV

21. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers OSU/OSC LBL/NERSC Dubna Birmingham NIKHEF Saclay GSI Nantes CERN Padova Merida IRB Bologna Lyon Torino Bari Cagliari Yerevan Catania Kolkata, India Capetown, ZA Stocker les données à travers le monde : 1,2 Go/s (2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD de 4 Km).

22. Introduction à la physique du LHC Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers • Juste pour rire … • Imaginons notre terre gelée où l’eau n’existe qu’à l’état de glace ; • La glace n’est présente que sous forme quantifiée : les glaçons ; • Des théoriciens soutiennent que la glace peut exister, dans certaines conditions de température, sous forme liquide ; • La seule façon de chauffer la glace est d’écraser les glaçons les uns contre les autres; • Les expérimentateurs fabriquent donc deux gros paquets de glaçons contenant chacun 100 millions de glaçons ; • Ils frappent ces paquets l’un contre l’autre 1 million de fois par seconde ; • L’observateur qui est chargé de raconter ce qui se passe est installé sur Mars… • En divisant les dimensions par un facteur 1013, nous devenons l’observateur du LHC.

23. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière e–  e+  Plomb Dirac invente l’antiélectron en 1930. électron positron 1932 : Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques. Découverte de l’antimatière : Deux solutions pour l’énergie d’une particule de masse M au repos. E = +M c 2 E = -M c 2

24. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Caractéristiques de l’antimatière : e+ positron antiproton antineutron électron e– proton p+ neutron n Anti-matière Matière p– n Même masse, même durée de vie, charge opposée. L’USS Enterprise de Star Trek fonctionne à l’antimatière.

25. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Que devient l’antimatière : Annihilation matière+antimatièreénergieg e–+e+ 2 g p+ . . . .  desg Exemples : p Comment fabriquer de l’antimatière : Matérialisation Collision énergiematière+antimatière p p + p  p + p + p+ Exemple :

26. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière fission 235U 30 000 d fusion He 200 000 d p annihilation 30 000 000 p De l’énergie avec l’antimatière ? O2 1 chimique H2O H2

27. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Où est passée l’antimatière dans l’univers ?

28. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Production d’un léger déséquilibre : 1 000 000 001 protons ou neutrons… 1 000 000 000 antiprotons ou antineutrons… Où est passée l’antimatière dans l’univers ? Une dissymétrie matière-antimatière pourrait permettre d’expliquer cette disparition. A. Sakharov

29. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière AT AsymétrieAT = 0,0066 ± 0,0013stat ± 0,0010syst La matière l’emporte sur l’antimatière. t Une dissymétrie matière-antimatière : K0 K0 En fonction du temps, on peut comparer : matièreantimatière :  K0 K0 antimatièrematière:  K0 K0

30. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Vue schématique du LHC

31. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Première mise en évidence de la désintégration très rare de mésons B°s en paires de muons. Novembre 2012 Les particules étant émises dans des directions voisines du faisceau, le détecteur LHCb est spécialement conçu pour les observer. Le but de LHCb est d’étudier la physique des particules contenant des quarks b et antiquarks b. Comprendre la disparition de l’antimatière dans l’univers. Rechercher des phénomènes encore inobservés.

32. Introduction à la physique du LHC Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière Car sinon : Vérifier qu’il ne vient pas d’un monde d’antimatière ! Juste pour rire … Si un extraterrestre venait !!! Malgré sa gentillesse apparente, ne pas l’inviter sans :

33. L'être humain est une entité infiniment complexe qui essaie de se situer entre l'infiniment petit et l'infiniment grand.