Le LAPP et la physique des particules Stage d observation 3 èmes. Edwige Tournefier Mardi 16 janvier 2017

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1 Le LAPP et la physique des particules Stage d observation 3 èmes Edwige Tournefier Mardi 16 janvier 2017

2 Plan La physique des particules: Qu est-ce c est? Qu est-ce qu on cherche? Que fait-on au LAPP? 16/01/2017 2

3 La physique des particules, qu est-ce c est? La physique des particules cherche à déterminer quels sont les constituants élémentaires de la matière ainsi que les forces qui s exercent entre eux 16/01/2017 3

4 Force? Force = interaction entre deux corps Le messager de l interaction Portée de l interaction Exemple: L une des propriétés de la matière est sa masse Deux corps dotés de masse s attirent: ils exercent une force l un sur l autre c est la force de gravitation 16/01/2017 4

5 La matière Dans l antiquité: matière composée de 4 éléments: eau, terre, air, feu : On trouve de plus en plus d éléments simples atomes 1869: classification des atomes (Mendeleiev) XX ème siècle: tous les atomes ont la même structure Noyau (Z protons + N neutrons) Z électrons «gravitant» autour du noyau 16/01/2017 5

6 L atome Électron (charge -1) m 10 millions de fois plus petit qu une fourmi force Électro-magnétique Noyau (charge +Z) Deux corps électrisés s attirent (si charges de signe opposées) ou se repoussent (si charges de même signe) c est la force électromagnétique 16/01/2017 6

7 Le noyau Proton (charge +1) force forte m Neutron (charge 0) 16/01/2017 7

8 Les protons et les neutrons Proton : 2 quarks «up» 1 quark «down» force forte (gluon) m Neutron : 1 quark «up» 2 quarks «down» Les quarks ont une masse, une charge éléctrique et une «couleur» ( sensible à la force forte) 16/01/2017 8

9 Résumé Le but de la physique des particules est l étude des constituants fondamentaux de la matière (les briques les plus petites de notre monde) et des interactions fondamentales (les forces) auxquelles ils sont soumis. = constituants fondamentaux? 16/01/2017 9

10 Les interactions fondamentales En physique des particules, l interaction qui s exerce entre 2 particules élémentaires de matière est décrite comme l échange entre ces 2 particules d une particule messagère. Le messager de l interaction Échange d une particule messagère Portée de l interaction 1 La portée de l interaction dépend de la masse de la particule messagère Notre monde est régi par quatre interactions fondamentales : Lesquelles? /01/

11 L interaction faible Exemple: la radioactivité Radioactivité: phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables, se transforment spontanément en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers. Neutron (udd) proton (uud) + e - + e W = particule médiatrice de l interaction faible 16/01/

12 Résumé: particules élémentaires et forces Le Modèle Standard de physique des particules Matière ordinaire Messagers des forces: Les bosons 16/01/

13 Encore un détail: l anti-matière Pour chaque particule il existe une anti-particule de même masse et de charge opposée Exemple: le positron (e + ) est l antiparticule de l électron (e - ) Le positron est découvert en 1932 par Carl Anderson Particule et anti-particule s annihilent e - +e + 2 (2photons) Big Bang: autant de matière que d anti-matière sont créées L univers que nous observons est formé de matière (en majeure partie) où est passée l anti-matière? 16/01/

14 Quelques grandes questions actuelles Pourquoi n y a-t il pas d'anti-matière dans l univers? D où vient la masse des particules? le boson de Higgs! (2012) De quoi est constituée la matière noire? Comment unifier la gravitation avec les autres forces? Le nombre de familles de particules Pourquoi les particules élémentaires ont des masses si différentes? Qu'y a t-il au delà du Modèle Standard? de nouvelles symétries (super symétries)? Avec de nouvelles particules expliquant la matière noire? Des dimensions d'espace temps supplémentaires? 16/01/

15 Comment répondre à ces questions? On peut par exemple: Chercher de nouvelles particules Mesurer leurs propriétés masse, durée de vie, produits de désintégration, Confronter ces mesures aux prédictions des modèles théoriques Avec quoi observe-t-on les particules élémentaires? Avec quels appareils? Oeil nu accélérateurs +détecteurs microscopes 16/01/ jumelles télescopes

16 Créer de nouvelles particules: comment? La fameuse équation E = mc 2 En 1905, Einstein montre l'équivalence masse-énergie par sa célèbre équation E = mc 2 On peut donc créer de l'énergie à partir de la masse! Et de la masse (particules lourdes) à partir d énergie! 16/01/

17 Une expérience de physique des particules Ingrédients: Un accélérateur de particules Une cible / des collisions de particules Un détecteur Analogie avec une radiographie: Résultat 16/01/

18 Un Accélérateur: le LHC Lieu : CERN (Genève) Profondeur : 100 m Circonférence : 27 km LHC : Large Hadron Collider grand collisionneur de hadrons (=protons ou noyaux de Plomb) Protons de 7 TeV d énergie Protons de 7 TeV d énergie Protons accélérés à % de la vitesse de la lumière 16/01/

19 Comment détecter ces particules? p + m + p Proton p Proton e - K - p 16/01/

20 Détecter les particules Mais les particules dans l état final sont TRES petites Comment va t on les détecter? Elles interagissent avec la matière! Elles interagissent toutes différemment avec la matière! Construction de détecteurs spécifiques pour reconstituer le passage d une particule et la reconnaitre. 16/01/

21 Détecter les particules On va mesurer : Trajectoires Charge Energie Facon d interagir avec la matière Certaines interagissent beaucoup avec la matière D autres très peu Et ainsi reconnaître la particule (e,p,m,, ) ayant laissé la trace et connaître ses caractéristiques - masse - vitesse - énergie 16/01/

22 Exemple: ATLAS au LHC 44m 22m 7000 tonnes 16/01/

23 A quoi ca ressemble? 16/01/

24 Traces de particules dans ATLAS 16/01/

25 Découverte du boson de Higgs au CERN par ATLAS et CMS le 4 juillet 2012 ATLAS CMS 16/01/

26 Voir le boson de Higgs Le boson de Higgs a une durée de vie très courte et se désintègre dès qu il est produit en des particules qu on connait bien! Il faut donc détecter ses produits de désintégration! 16/01/

27 Voir le boson de Higgs Est-ce un boson de Higgs? Ou deux Z? 16/01/

28 Le boson de Higgs: il est là? Nombre de candidats Energie+ vitesse + position de chaque particule masse de la particule «mère» Un pic à 125 GeV! Masse reconstruite On a trouvé un nouveau boson à une masse de 125 GeV 16/01/

29 Construction d ATLAS au LAPP De la fabrication des pièces du détecteur à l analyse des données 16/01/

30 Le LAPP en Namibie avec HESS et bientôt au Chili avec CTA l'expérience H.E.S.S étudie les sources de rayons cosmiques en Namibie CTA est en construction au Chili et à La Palma Recherche de matière noire, étude des sources de rayons cosmiques 16/01/

31 En 2016 le LAPP rejoint LSST A la recherche de l énergie noire et de la matière noire Télescope en construction au Chili 16/01/

32 Le LAPP dans l espace: l'expérience AMS Pour rechercher de l antimatière dans l espace Station internationale et AMS Dedicated tools for assembly in clean room 16/01/2017 Calorimètre Plomb-Scintillateur. Poids: 630 kg Boîtier des photomultiplicateurs (PM) 32

33 Recherche des ondes gravitationelles Relativité générale: déformation de l espace-temps lié à la présence de masse Les ondes gravitationelles se propagent Observation sur Terre: le détecteur Virgo 16/01/

34 Virgo à Pise Mesurer une variation de longueur équivalente à la taille d un atome sur la distance Terre-Soleil! 16/01/

35 Les ondes gravitationnelles: elles existent! Découverte annoncée en 2016 Collision de 2 trous noirs de 29 et 36 masses solaire situés à 1,3 milliards d années lumière! A ne pas manquer: la nuit des ondes gravitationnelles le 20 mars à l hotel Imperial d Annecy 16/01/

36 L oscillation des neutrinos Faisceau de neutrinos muoniques ( m ) produit au CERN traverse la Terre jusqu au Grand Sasso (Rome) Les neutrinos sont détectés au Grand Sasso par le détecteur OPERA Au Grand Sasso on détecte des m mais aussi des neutrinos tau ( )! Le neutrino oscille ( m )! CERN L = 730 km OPERA T flight = 2.44 ms 16/01/

37 Y-a-t il une 4ème famille de neutrinos? Détection des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires il en manque! Les neutrinos électroniques oscillent-ils vers une 4ème famille de neutrinos (neutrino stérile)? C est la question a laquelle l experience STEREO tente de répondre STEREO auprès du réacteur de l ILL à Grenoble 16/01/

38 Historique du LAPP (1) 1976: création du LAPP par des physiciens de Paris désireux de se rapprocher du CERN. Le LAPP participe à des expériences importantes de l'histoire de la physique des particules, dont UA1, qui permit en 1983 de découvrir les bosons W et Z [Prix Nobel de physique 1984] Z 0 e + 16/01/ e -

39 Historique du LAPP (2) 1991: le LAPP s'agrandit Expériences au LEP du CERN (collisionneur e + e - ) 1995: le LAPP devient Unité Mixte de Recherche (CNRS et Université de Savoie). Nouveau domaine des «astro-particules»: ondes gravitationnelles, rayons cosmiques de très grande énergie (photons, neutrinos), matière noire, antimatière dans l'univers. Expériences sur des sites éloignés: Suisse, Italie, Californie, Namibie, Japon, Chili, station spatiale internationale ISS 4 juillet 2012: ATLAS et CMS au CERN annoncent la découverte d un nouveau boson 11 février 2016: la collaboration LIGO-Virgo annonce la découverte des ondes gravitationnelles 16/01/

40 Qui travaille au laboratoire? -Des expérimentateurs (~35) chercheurs et enseignant-chercheurs Au sein de grandes collaborations internationales, ils conçoivent, construisent et interprètent les résultats des expériences -Des théoriciens [LAPTH] (~25) Ils élaborent de nouvelles théories pour expliquer les observations des expérimentateurs [parfois c est dans l autre sens: ils demandent aux expérimentateurs de vérifier leurs prédictions] -Des étudiants (en thèse ou en stage) [LAPP, LAPTH] (~20) -Des ingénieurs et techniciens [LAPP] (~70) En informatique, électronique et mécanique : ils réalisent les détecteurs. -Des administratifs [LAPP,LAPTH] (~10) Pour effectuer les commandes, gérer et prévoir 16/01/

41 La physique théorique Le LAPP abrite dans ses murs un important laboratoire de physique théorique, le LAPTh Les théoriciens prédisent des effets que les expérimentateurs cherchent à mesurer Parfois c est le contraire: les théoriciens font des calculs pour interpréter les résultats des expérimentateurs 16/01/

42 Les services techniques Les services de mécanique, d'électronique et d'informatique aident à concevoir et réaliser détecteurs et logiciels Vous allez les découvrir pendant le reste de ce stage! 16/01/

43 BONNE VISITE! 16/01/