LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS NATHALIE BESSON. Le 4 juillet 2012 est annoncée la découverte d une nouvelle particule!

Transcription

1 LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS NATHALIE BESSON Le 4 juillet 2012 est annoncée la découverte d une nouvelle particule!

2 Le boson de Higgs Et la physique des particules élémentaires

3 Le modèle standard de la physique des particules élémentaires Concrètement, en termes de particules : e - ν e u d µ - ν µ c s τ - ν τ t b Force électromagnétique : γ Force faible : W + W - Z 0 Force forte : 8 gluons g 12 constituants élémentaires classés en 3 familles, tous observés expérimentalement, interagissent par échange de bosons caractéristiques des interactions. De manière équivalente, c est une grosse équation construite par des années d aller-retour entre les observations expérimentales et les développements théoriques. Très solide («pouvoir prédictif» énorme). Expression mathématique reposant de manière fondamentale sur des symétries.

4 Exemple de la manifestation des symétries 1912 Hess

5 Il faut classer! La carte d identité des particules émerge : Équivalents de taille et couleur d yeux, les nombres quantiques dont la masse proton hadron 1919

6 Gell-mann et les symétries K - + p + Ω K + K?

7 Encore plus élémentaire

8 La situation avant 1964 «Les mathématiques sont le langage de l univers.» Observations & mesures Calculs (prédictions) Le modèle, l équation, n a jamais été mis en défaut à ce jour. Sauf que : Pas de masse (inertielle) sans mettre à mal les symétries!!!

9 Le mécanisme de BEH Les théoriciens (Robert Brout, François Englert et Peter Higgs) se mettent au travail. Symétrie oui mais cachée! On modifie le modèle en rajoutant : le champ de Higgs, le boson de Higgs (différents des bosons médiateurs).

10 Les premiers instants de l Univers Histoire de l univers avant le millionième de millionième de seconde : t = 0 : le Big-Bang (il y a 13,7 milliards d années ) Température de plus de 1030 K à 1016 K. t un peu avant le millionième de millionième de seconde : Univers encore très chaud (1016 K), en refroidissement. Particules élémentaires (quarks, électrons, neutrinos ) sans masse. t ~1millionième de millionième de seconde : Entrée en action du mécanisme de Higgs. Similaire la condensation: vapeur d eau eau liquide quand T baisse. Le vide acquiert une certaine «tension interne». t après après le mécanisme de Higgs Le vide se condense autour des particules : elles ont une masse, et ne vont plus à la vitesse de la lumière (sauf la lumière elle-même!) Merci à Bruno Mansoulié pour cet historique.

11 Chercher le boson de Higgs

12 Produire des particules Les particules peuvent être «instables». E=mc² : particules énergie. Collisions de particules d autres particules. Energies γmc² de masse et cinétique accélération. mc² mc² mc² E mc² mc² mc² mc² Le modèle permet de calculer ce qui va être produit et dans quelles proportions. γmc²

13 Si simple et pourtant Pour créer une particule d une certaine masse, il faut y mettre l énergie correspondante! «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme» Et la seule chose que ne dit pas le modèle c est la masse du boson de Higgs. Donc on essaye et si on ne voit rien, on pose une «limite» et on doit construire un accélérateur plus puissant i.e. à plus haute énergie!

14 Autre difficulté : Une fois qu on a décidé quelle masse on va étudier, le modèle permet de calculer quelle est la probabilité de produire le boson de Higgs. Et c est très faible! Un boson produit tous les 10 milliards de collisions!!! Donc il faut aussi un outil qui permette de produire beaucoup de collisions pour avoir une chance de produire quelques bosons de Higgs. Il n y a plus qu à!

15 Large Hadron Collider On était arrivé à m H > 114 GeV/c² (1GeV/c²=1.79 x kg)

16 La machine des superlatifs (1) Taille : 27km de circonférence Aimants : 9300 de différents types Les plus gros sont les dipôles : 1232 dipôles de 14.3m et 35t = 18 km de dipôles sur les 27 km de LHC Supraconducteurs utilisé à 1.9K 1,9K = -271,25 C!!! Bobinage : 1 câble (Ø1.5cm) = 36 brins torsadés (Ø15mm) 1 brin = 6400 filaments (Ø 7μm) 7600km de câbles = en brins 5 AR Terre-Soleil plus un aller sur la Lune!

17 La machine des superlatifs (2) Le plus gros frigo du monde : 40000t de matériel (l équivalent de frigos bourrés de saucisses) à 1.9K (120t d He superfluide). Un des endroits les plus froids de l univers! Avec des températures générées par les collisions plus de fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil. L espace le plus vide du système solaire : atm (10 fois moins que sur la Lune) sur 27 km de circonférence! 2808 paquets de ~ protons de qques cm de long et 1mm de large sauf aux points de collision alors 16μm (1/4 de cheveux humain) qui font tours par seconde à 99, % de la vitesse de la lumière!

18 CMS: le poids lourd 21.5m de long, 15m de Ø, 12500t Solénoïde supra le + gd et le + puissant (4T) 2000 physiciens & ingénieurs 183 instituts 39 pays LHCb: la physique du quark b 21m de long, 13m x 10m, 5600t 650 physiciens & ingénieurs 47 instituts 14 pays Détecter les particules ALICE: soupe de quarks et de gluons 26m de long, 16m de large et de haut, 10000t Plus grande TPC du monde 1500 physiciens & ingénieurs 104 instituts 31 pays ATLAS: le géant 44m de long, 22m de Ø, 7000t Assemblé dans la caverne comme un légo géant 1800 physiciens & ingénieurs 167 instituts 37 pays

19 Principe de détection On ne «voit» pas vraiment les particules Mais les traces de leur passage dans les détecteurs La grosse équation permet cela aussi

20 Des instruments colossaux Plus on veut voir petit, plus l instrument nécessaire est grand : Œil, loupe, microscope, microscope électronique détecteur de particules 2cm 10cm et complexe 50cm 200cm 4000cm Beaucoup de temps en conception, R&D, construction, grosses collaborations internationales (~3000 physiciens/collaboration)

21 Et ça marche! Le 20 novembre 2010, le faisceau 1 puis le 2 circulent à nouveau dans le LHC. Les 4 détecteurs peuvent enregistrer des événements.

22 Exploiter les «données» Données : l ensemble des événements. Evénement : une collision de protons qui donne quelque chose dans les détecteurs. Concrètement : l ensemble des signaux que donnent les détecteurs et qu on «reconstruit». On a des événements intéressants, d autres moins, tout dépend de ce qu on cherche! Donc on trie.

23 Analyse des données 1. Choisir un «canal» 2. Trier et interpréter

24 Interpréter les données Pas évident! Outils statistiques très exigeants avant de clamer la découverte.

25 Résultats 2012 Absolument convaincant : on parle de découverte!

26 Et la suite? Après des années de recherche acharnée, on a observé une nouvelle particule qui est un boson différent des bosons déjà connus, qui est compatible avec un boson de Higgs du modèle standard. Confirmer qu il s agit DU boson de Higgs. Ou d un boson de Higgs? Mesurer toutes ses caractéristiques et les confronter aux différents modèles. Et puis il reste des questions en suspens!