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Remonter le temps vers le Big-Bang avec un collisionneur de physique des particules

Remonter le temps vers le Big-Bang avec un collisionneur de physique des particules. Isabelle Ripp-Baudot CNRS – IN2P3 IPHC / DRS. 100 chercheurs 180 ITA. DSA. DEPE. Ecologie, Physiologie et Ethologie. Sc. Analytiques, interactions ioniques et biomol é culaires. DRS. DIPCV.

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Remonter le temps vers le Big-Bang avec un collisionneur de physique des particules

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  1. Remonter le temps vers le Big-Bang avec un collisionneur de physique des particules Isabelle Ripp-Baudot CNRS – IN2P3 IPHC / DRS

  2. 100 chercheurs 180 ITA DSA DEPE Ecologie, Physiologie et Ethologie Sc. Analytiques, interactions ioniques et biomoléculaires DRS DIPCV Interactions Physique, Chimie, Vivant Recherches Subatomiques • Physique nucléaire : • physique théorique (astrophysique nucléaire, fusion, fission) • stabilité des noyaux • structure nucléaire • Aval du cycle : • radiochimie • retraitement des déchets • stockage des déchets • radioprotection, dosimétrie • mesures de radioactivité dans l’environnement • Détection et imagerie : • imagerie médicale (tumeurs) • dosimétrie pendant opération • imagerie du petit animal • imagerie cellulaire • détecteurs • animalerie (souris) • Physique des particules : • physique théorique : théorie des champs • neutrinos • physique au-delà du Modèle Standard et du boson de Higgs • Plasma de Quarks et Gluons

  3.  Décrire les constituants élémentaires de la nature :  les plus petits / insécables / non composites  dépend des moyens expérimentaux : énergie d’une collision ~ grossissement d’un microscope. Selon les époques, les constituants fondamentaux ne sont pas les mêmes. Aujourd’hui : les particules sont ponctuelles à l’échelle de 10-18 m. La physique des particules : c’est quoi ? 1 keV 1 GeV 1 MeV 1 TeV Energie (électroVolt) 1 eV = 1.6x10-19 J 1 eV/c2 = 1.8x10-36 kg Longueur (mètre) 10-9 m 10-12 m 10-15 m 10-18 m noyau = assemblage de nucléons (protons et neutrons) nucléon = 3 quarks de valence + une infinité de quarks et gluons virtuels atome = assemblage neutre d’un noyau et d’électrons

  4. La physique des particules : c’est quoi ? (suite) • Décrire les forces élémentaires : les particules élémentaires interagissent en échangeant des particules. Cette description des constituants élémentaires et leurs interactions  le Modèle Standard de la physique des particules : basé sur l’observation de symétries dans la nature et utilise la théorie quantique des champs (relativiste). • Décrire les premiers instants de l’Univers, alors qu’il était rempli uniquement de particules. • Développer les outils nécessaires à ces études : outils informatiques, détecteurs et accélérateurs. Cosmologie / Astroparticules  interface avec l’astrophysique et les sciences spatiales. Interface avec l’imagerie bio-médicale, la biologie, la physique des plasmas. + grille de calcul, web, simulations.

  5. charge électronique Le Modèle Standard de la physique des particules neutrino électronique ne neutrino muonique nm neutrino tauique nt 0 LEPTONS électron e- muon m- tau t- -1 charme c up u top t +2/3 QUARKS étrange s down d beauté b -1/3 3ème famille 2ème famille 1ère famille  matière ordinaire stable - Pour chaque particule : une anti-particule identique et de charge opposée. - Les quarks sont colorés (R, B, V) et n’existent pas libres : ils sont toujours liés dans des hadrons de charge entière et de couleur blanche (cf. proton, neutron).

  6. Le Modèle Standard (suite) exclue du M.S.

  7. Le problème des masses Dans la description théorique on ne sait pas rendre compte de manière simple à la fois de la masse des particules et des symétries qu’on voudrait respecter. Or les masses des particules élémentaires ont été mesurées expérimentalement, elles ne sont pas nulles : Par exemple : me = 510.99892 ± 0.00004 keV/c2 mZ = 91.1876 ± 0.0021 GeV/c2 mW = 80.425 ± 0.038 GeV/c2  il faut trouver un mécanisme pour générer une masse pour les particules tout en gardant notre modèle invariant sous les symétries fondamentales le mécanisme de Higgs : introduire une nouvelle particule qui interagit avec les particules élémentaires (de matière ou celles qui portent les forces), ce qui va engendrer leur masse. Les masses ne sont pas prédites par la théorie paramètres libres. (prix Nobels 1984 C.Rubbia + S. Van der Meer)

  8. Accélérer proton-proton, proton-antiproton, e+-e-. Lieux : CERN (Genève), Fermilab (Chicago), KEK (Tsukuba), PEP (Stanford), RHIC (Brookhaven). Produire des particules Le LHC(approuvé en 1994) fonctionnera à partir de fin 2007 au CERN : c’est un collisionneur p–p circulaire de circonférence 27 km. Croisement des faisceaux toutes les 25 ns ! Taille transverse des faisceaux ~ 15 mm.

  9. Produire des particules (suite) • Les rayons cosmiques : lorsqu’un proton (par ex.) arrive dans l’atmosphère, il est détruit par interaction forte avec un nucléon de l’air et il y a production d’une gerbe de particules. •  Intérêt de leur étude : • il n’y a pas besoin d’accélérateur, • ces particules sont les messagers de phénomènes cosmiques (intérêt pour la cosmologie, l’astrophysique et la physique des particules). •  Désavantage : contrairement à l’accélérateur, on ne sait rien a priori de l’état initial (origine, impulsion, énergie, type de la particule primaire).

  10. Etude des neutrinos produits dans les centrales nucléaires par la désintégration b (radioactivité) : p  n e+ne n  p e-ne Produire des particules (suite) - Centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes

  11. Détecter des particules Expérience ATLAS : enregistrera des données auprès du LHC. longueur ~ 50 m diamètre ~ 25 m Poids ~ 7000 t

  12. Silicium de DØ Détecter des particules (suite) Bouchon de DELPHI

  13. Visualiser un événement

  14. Un Z0 vu dans ALEPH Visualiser un événement (suite) Une collision Pb-Pb simulée dans ALICE (Plasma Quarks Gluons) Désintégration d’un K+ dans une chambre à bulles (1973). Un Higgs simulé dans ATLAS

  15. Exemple du projet AUGER : étude de rayons cosmiques d’énergie allant jusqu’à 1020 eV ! Le mécanisme aboutissant à une telle accélération dans l’Univers n’est pas compris. A comparer aux meilleurs accélérateurs de particules construits actuellement, qui atteignent 1012 eV (Tevatron) et bientôt 1013 eV (LHC). Rayon primaire de 1020 eV : on en attend 1/km2/100 ans surface de détection de 3000 km2 en Argentine. Détecter des astroparticules

  16. Le n est difficile à détecter (il interagit faiblement) : nécessite de très grands volumes de détection et beaucoup de temps d’acquisition. Pour avoir une probabilité de 50 % d’arrêter les nil faut une barrière de Pb d’une A.L. SuperKamiokande (Japon) Détecter des neutrinos 1 cm3 univers contient : 3x110 n 0.5x10-6 p 1000 g Antares (méditerranée)

  17. Un faisceau de neutrinos muoniques traverse la croûte terrestre sur 732 km, depuis le CERN jusqu’au Gran Sasso. Détection de neutrinos tauiques pour étudier l’oscillation nm-nt. Autre expérience de neutrinos : CNGS

  18. ZOOM Histoire des particules dans l’Univers 13.7. 109 ans (± 1 %) 1013 s atomes g Big Bang décélératn rapide accélération rapide décélération lente Energie noire domine Rayonnt domine Matière (noire !) domine inflation

  19. u d e- g ne, nm, nt LEP (e+e-) Tevatron (p p) LHC (p p) RHIC (Au-Au) - Histoire des particules dans l’Univers (zoom) - u p u p u, c, t d ? n - d, s, b noyaux d e+ e- e-, m-, t- e- e- g g ? g g ne, nm, nt ne, nm, nt ne, nm, nt ne, nm, nt Nouvelle Physique Modèle Standard 10-6 s 10-12s 10-34s 10-44 s 1 s 1016 GeV 100 GeV 1019 GeV 200 MeV 1 MeV Brisure symétrie électrofaible Gravitation quantique Grande unification ? Confinement des quarks Nucléosynthèse

  20. Les questions ouvertes du Modèle Standard • ● Trouver le boson de Higgs. • Unifier les forces faibles, fortes et électromagnétiques. • ● Pourquoi mtop = 105 mélectron alors que rien ne distingue les 3 familles de particules de matière ? • ● Plus de 20 paramètres libres dans la description théorique. • ● Pourquoi 3 familles de particules de matière ? • ● Origine de la violation de la symétrie CP nécessaire pour induire l’asymétrie matière/anti-matière observée dans l’Univers ? • ● Description de neutrinos massifs ? • ● Décrire la gravitation, qui n’est plus négligeable à l’échelle de Planck 1019 GeV.

  21. Les questions ouvertes du Modèle Standard (fin)Densité totale de l’Univers aujourd’hui • ~ 30 % matière, dont : • 4 % baryonique • moins de 1 % lumineuse Le Modèle Standard de la physique des particules décritmoins de 5 % de l’Univers. ~ 70 % Energie noire - la majeure partie de la matière est non baryonique (pas des atomes). - une partie de la matière baryonique n’est pas visible.  matière noire : baryonique et exotique.

  22. Conclusion : le Modèle Standard est unethéorie effective, correcte à l’échelle d’énergie de l’ordre de 100 GeV. • quelle est la théorie valable à plus haute énergie ? • à quelle énergie le M.S. n’est-il plus valable ? Physique au-delà du Modèle Standard théories preuves expérimentales

  23. Conclusion •  Beaucoup de découvertes récentes en physique des particules (neutrinos massifs, quark top, 3 familles, asymétrie matière/anti-matière). •  Depuis 1998 bouleversement complet de notre connaissance de l’histoire de l’Univers : géométrie, évolutions passée et future, composition (énergie noire, matière inconnue) • autant de questions auxquelles la physique des particules essaie de contribuer à répondre.  En 2007 le collisionneur LHC entrera en fonction  on espère un nouveau bouleversement de nos connaissances !

  24. Pour en savoir plus : http://iphc.in2p3.fr/ http://www.in2p3.fr/ http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/informations/sites/sites.htm http://public.web.cern.ch/Public/Welcome.html http://www.fnal.gov/ http://www.interactions.org/cms/

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