Introduction à la physique du LHC

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Les interactions fondamentales :L'interaction gravitationnelle :Responsable de la pesanteur, des marées ou encore des phénomènes astronomiques.

L'interaction faible :Responsable de la désintégration de nombreuses particules.

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.

proton neutron

Les quarks ne peuvent jamais être libres car l’interaction entre

quarks augmente avec la distance.

Avec les électrons, les quarks « up » et « down » forment les constituants élémentaires de la matière stable.

u : quark up

d : quark down

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Les particules élémentaires de matière stable :

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Interaction à distance entre les deux barques par échange d’une boule.

La notion d’échange :

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.

Introduction à la physique du LHCLe 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.

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Graviton ?Gravitationnelle

BosonsZ 0 W+ W-~ 10-5Faible

Photon~ 10-3Electro-magnetique

8 gluons1Forte

VecteurIntensitéInteraction

~ 10-38

Portée

1.5 - 2 fm

1/100 fm

Masse nulleMasse nulle

Masse nulleMasse nulle

Masse nulleMasse nulle

Masse !!!Masse !!!

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

D’après le modèle standard, tous les vecteurs devraient être sans masse. Pourquoi les vecteurs de l’interaction faible sont-ils massifs ?

Que dit la théorie ?

Les vecteurs de l’interaction faible interagiraient avec ce champ en avançant dans l’espace comme dans une « mélasse épaisse ».

Il existerait un champ qui emplirait tout l’espace, le champ de Higgs auquel est associée une particule : le boson de Higgs.

MasseMasse

La masse des électrons et des quarks serait une manifestation des interactions avec le champ de Higgs dans lequel ils « baignent ».

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Les particules élémentaires interagiraient avec le champ de Higgs.

Mécanisme de Higgs Mécanisme de Higgs donnant une masse donnant une masse

aux particules.aux particules.

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

Vue

sché

mat

ique

du

LH

C

Introduction à la physique du LHCLe 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).

Introduction à la physique du LHCLe Higgs ou le mystère de la masse

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.

CMSCMS

La probabilité d’obtenir un tel signal sans particule supplémentaire est d’environ un sur trois millions.

Higgs

Juillet 2011

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Les états de la matière :

TempératureTempérature

Exemple de l’eau

Plasma quark-gluon : Milieu déconfiné de quarks et de gluons.

Température d'environ 100 000 fois celle régnant

à l'intérieur du Soleil. Matière nucléaire

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ?

Big-bang

Temps : 10-35 secondeTaille : 10 cmTempérature : 1028 K

Temps : 15 milliardsd’années (aujourd’hui)

Intérêt en cosmologie : état de l’univers 10-6s

après le Big-Bang.

Plasma quark-gluon

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Pourquoi étudier le plasma quark-gluon ?

Supernovae

Etoile à neutrons

Diamètre = 15 km

Masse ~ soleil

Intérêt astrophysique : cœur des étoiles à neutrons ?

Plasma quark-gluon ?

Etoile qui explose

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Recréer le plasma quark-gluon en laboratoire :refaisons le chemin en sens inverse

Compression Chaleur Plasma de quarks et gluons

Comment ?

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

2. L’énergie de la collision se matérialise sous forme de quarks et gluons.

1. Les noyaux accélérés vont subir une collision frontale.

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.

Le mini Big Bang

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Vue

sché

mat

ique

du

LH

C

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

L’e

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HC

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

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.

Collisions plomb-plomb au LHC.

Collisions d’ions lourds relativistes :

A quoi faut-il s’attendre ?

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

60 << 62Une collision :

Pb+Pb à 5.5 TeV

Introduction à la physique du LHCLe plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers

Stocker les données à travers le monde : 1,2 Go/s 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).(2 CD/s) et 1 Po/an (une pile de CD de 4 Km).

Yerevan

CERN

Saclay

Lyon

Dubna

Capetown, ZA

Birmingham

Cagliari

NIKHEF

GSI

Catania

BolognaTorino

PadovaIRB

Kolkata, India

OSU/OSCLBL/NERSC

Merida

Bari

Nantes

Introduction à la physique du LHCLe 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.

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

1932 : Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques.

PlombDirac invente l’antiélectron en 1930.

électron

e–

e+

positron

Découverte de l’antimatière :Découverte de l’antimatière :

E = +M c 2 E = -M c 2

Deux solutions pour l’énergie d’une particule de masse M au repos.

Même masse, même durée de vie, charge opposée.

électron

e–

proton

p+

neutron

n

e+ positron

antiproton

antineutron

p–

n

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Caractéristiques de l’antimatière :Caractéristiques de l’antimatière :

Matière Anti-matière

L’USS Enterprise de Star Trek fonctionne à

l’antimatière.

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Matérialisation

Collision énergie matière + antimatière

Comment fabriquer de l’antimatière :Comment fabriquer de l’antimatière :

Exemple :Exemple : p + p p + p + p + p

Annihilation

e– + e+ 2 p + . . . . des p

Que devient l’antimatière :Que devient l’antimatière :

matière + antimatière énergie

Exemples :Exemples :

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

200 000Hedd

fusion

O2

H2

H2Ochimique 1

235U 30 000fission

30 000 000pannihilationp

De l’énergie avec l’antimatière ?De l’énergie avec l’antimatière ?

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Où est passée l’antimatière dans l’univers ?Où est passée l’antimatière dans l’univers ?

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Production d’un léger déséquilibre :1 000 000 001protonsou neutrons…

1 000 000 000antiprotonsou antineutrons…

A. Sakharov

Où est passée l’antimatière dans l’univers ?Où est passée l’antimatière dans l’univers ?

Une dissymétrie matière-antimatière pourrait Une dissymétrie matière-antimatière pourrait permettre d’expliquer cette disparition.permettre d’expliquer cette disparition.

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Une dissymétrie matière-antimatière :Une dissymétrie matière-antimatière :

En fonction du temps, on peut comparer :

matière antimatière :

antimatière matière : K0

K0K0

K0

K0K0

La matière l’emporte sur l’antimatière.

t

AT

Asymétrie AT = 0,0066 ± 0,0013stat ± 0,0010syst

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Vue

sché

mat

ique

du

LH

C

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

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.

Les particules étant émises dans des directions voisines du faisceau, le détecteur LHCb est spécialement conçu pour les observer.

Première mise en évidence de la désintégration très rare de mésons B°s en paires de muons. Novembre 2012

Introduction à la physique du LHCLes particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière

Si un extraterrestre venait !!!Si un extraterrestre venait !!!

Malgré sa gentillesse apparente, ne pas l’inviter sans : Vérifier qu’il ne vient pas d’un monde d’antimatière !

Car sinon :

Juste pour rire …

L'être humain est une entité infiniment complexe qui essaie de se situer entre l'infiniment

petit et l'infiniment grand.