Particules 2010 : du LHC à la matière noire. Jean-René Cudell Université de Liège 1/84
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- Lionel Laporte
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1 Particules 2010 : du LHC à la matière noire. Jean-René Cudell Université de Liège 1/84
2 2/84
3 Limite de nos connaissances actuelles : m LHC : m Particules d une espèce donnée : toutes identiques, de taille<1/1000 celle du noyau, universelles, sans états excités. Par exemple : l électron. 3/84
4 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices: La matière noire 4/84
5 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices : La matière noire 5/84
6 6/84 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, (5 juillet 1687) F = m a forces matière
7 "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?", Annalen der Physik 18: , /84 E = mc 2 Certaines particules ont une énergie minimum leur masse au repos
8 E=(60 kg) c 2 = J = ,117 kcal E=(60 kg) (c 2 +0,5 v 2 ) = J = ,131 kcal pour v = 5 km/h Changement de masse : g 8/84
9 m 0 =1, kg E=m 0 c 2 =0,938 GeV =1, J E=3500 GeV v=0,99986 c Proton au LHC repos 9/84
10 Conséquence de la relativité restreinte (Dirac, 1928) A CHAQUE PARTICULE CORRESPOND UNE ANTIPARTICULE DE MÊME MASSE MAIS DE CHARGE OPPOSÉE 10/84
11 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices : La matière noire 11/84
12 Relativité générale Modèle Standard Gravitation Théorie macroscopique Longeurs > 25 microns Electromagnétisme, interactions faibles, interactions fortes Théorie microscopique longueurs > milliardième de millième de micron Force la plus faible Forces les plus fortes 12/84
13 Première théorie dynamique fondamentale : la relativité générale Hilbert, D. (Nov. 20, 1915) «Die Grundlagen der Physik. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Mathematisch-physikalische Klasse (1915), Einstein, A. (Nov 25, 1915) "Zur allgemeinen Relativatstheorie", Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, /84
14 Le champ de gravitation et l accélération sont de même nature. 14/84
15 La gravitation courbe l espace et les corps suivent le chemin le plus court 15/84
16 16/84 Modèle Standard Théorie des charges et des forces Les forces résultent de l échange de particules, les bosons de jauge : force champ particule
17 17/84 3 forces Électromagnétique : photons Faible : Bosons W ou Z Forte : gluons 3 paramètres Un seul principe
18 L invariance de jauge x 18/84 θ Symétrie globale continue Yang-Mills, 1954 θ(x 2 ) tensions élastique Symétrie locale continue θ(x 1 ) Toutes les forces fondamentales viennent de symétries locales
19 19/84 Force électromagnétique Particule échangée : le photon γ Agit sur les particules chargées (électrons, positons) ou composées de particules chargées (proton, neutron) Explique la chimie, l électricité, la lumière, les ondes électromagnétiques
20 Electrodynamique quantique ( ) 20/84 Feynman Schwinger Tomonaga Dyson Première théorie quantique relativiste Précision 0,
21 21/84 Force faible Particules échangées: les bosons W +, W -, Z 0 Agit sur les toutes les particules Explique la désintégration bêta Neutrinos de masse 0
22 Nécessaire à la combustion du Soleil 22/84
23 23/84 Vues de l intérieur du soleil SuperKamiokande
24 Théorie électrofaible ( ) Glashow Weinberg Salam Veltman t Hooft 24/84 3 bosons W + W - Z 0 Masses~100 GeV Précision : %
25 Force forte Gell-Mann Zweig Fritsch Particules échangées : les gluons Agissent sur les particules faites de quarks (hadrons) Explique la physique nucléaire 25/84
26 La force forte : les quarks et les gluons 26/84
27 27/84 Le confinement Paire de quark-antiquark
28 28/84 Microscope inélastique Les quarks ont 3 charges fortes différentes Les médiateurs de l interaction forte sont les gluons
29 29/84 Hadrons 3 quarks : Baryons Proton, neutron, Delta, Omega, etc. Quark-antiquark : Mesons Pion, Kaon, J/Psi, etc
30 Evénements hadroniques
31 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices : La matière noire 30/84
32 La première génération Photon W + W - Z Gluons Leptons, e + e - Oui Oui Non Antileptons ν ν Non Oui Non Quarks, antiquarks u u d d Oui Oui Oui Oui Oui Oui 31/84
33 La deuxième génération (1936, Anderson) µ = électron massif 32/84
34 Les extra-terrestres 33/84
35
36 35/84 Rayons cosmiques = protons, noyaux, gammas, neutrinos Au niveau du sol, ils donnent surtout des muons.
37 Propriétés du muon 200 fois plus massif que l électron Se désintègre par interactions faibles en électron+neutrino+antineutrino Vit T=1,6 µs 36/84
38 Isidor Rabi 37/84
39 La deuxième génération Photon W + W - Z Gluons Leptons, µ + µ - Oui Oui Non Antileptons ν µ ν µ Non Oui Non Quarks, antiquarks s s c c Oui Oui Oui Oui Oui Oui 38/84
40 La troisième génération (1974, Martin Lewis Perl) τ = muon massif Masse supérieure à celle du proton 39/84
41 La troisième génération Photon W + W - Z Gluons Leptons, τ + τ - Oui Oui Non Antileptons ν τ ν τ Non Oui Non Quarks, antiquarks b b t t Oui Oui Oui Oui Oui Oui 40/84
42 LEP (Large Electron Positron Collider ) e + e - Z 0 N ν =2.9841± /84
43 faibles 42/84
44 43/84 Grande disparité de masses Quark top Quark up Électron Neutrinos Comment des particules ponctuelles peuvent-elles avoir des masses si différentes?
45 44/84 Truc : mécanisme de Higgs Brout Englert Higgs 1964 Guralnik Hagen Kibble
46 45/84 Mécanisme de Brout-Englert-Higgs Champ non nul partout, qui interagit avec les particules pour leur donner leur masse. <Φ> 0
47 46/84 Les particules «frottent» sur le champ de Higgs. Plus elles frottent, plus elles sont lourdes.
48 47/84 Particule de Higgs Les forces résultent de l échange de particules force champ particule Φ Particule : le boson de Higgs Interagit plus avec des particules lourdes : pas encore observé
49 Propriétés du Higgs 115 m p <m H <160 m p ou 170 m p <m H <200 m p 1 Higgs pour 3 milliards de collisions p p 4 sur 1000 sont utilisables 48/84
50 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices : La matière noire 49/84
51 La grosse machine : le LHC 50/84
52 Anneau de 27 km de circonférence Aimants supraconducteurs : pas de résistance, température de -271 C (circuit d Helium liquide) 1232 aimants dipolaires de 15 m de long dévient les faisceaux 392 aimants quadrupolaires de 5 à 7 m de longfocalisent les faisceaux Deux faisceaux à v>0.999 c dans deux tuyaux différents Paquets de protons de l épaisseur d un cheveu et de quelques cm de long 4 points de collision où les faisceaux sont encore plus focalisés 51/84
53 52/84
54 53/84
55 54/84
56 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les lacunes du Modèle Standard La matière noire La gravitation à l échelle microscopique 55/84
57 Que détecter? 56/84
58 57/84
59 Les détecteurs Compact Muon Solenoid A Toroidal LHC Apparatu- S Large Hadron Collider beauty A Large Ion Collider Experiment 58/84
60 Les deux grands détecteurs Environ 3000 scientifiques chacun, 200 labos, 40 pays Précision de 10 microns, 300 km de cables, 100 millions d éléments de détection Données/an: 3200 Tb= DVD Env. 50 M, construction en 10 ans 59/84
61 60/84 A Toroidal LHC ApparatuS 44 m x 25 m 7000 tonnes Plus grand solénoide 2 Tesla Compact Muon Solenoid 21 m x 15 m tonnes Plus grand détecteur au silicium 4 Tesla
62 61/84
63
64 63/84
65 64/84
66 Coupe transversale de CMS Seuls les neutrinos s échappent 65/84
67 Le 30 mars /84
68 Date 10/09/ /9/ /11/ /11/ /11/ /2/ /3/ Premiers protons font un tour complet du tunnel «incident» : 100 aimants ne sont plus supraconducteurs perte de 6 tonnes d hélium Les protons parcourent à nouveau le tunnel Premières collisions dans le quatre détecteurs 1,18 TeV par faisceau plus haute énergie sur Terre Augmentation de l énergie des faisceaux pour atteindre 3,5 TeV par faisceau Premières collisions à 7 TeV. Début du programme de recherche Augmentation de l énergie des faisceaux pour atteindre 14 TeV Collisions à 14 TeV Fin du programme Événement 67/84
69 Luminosité
70 Premier Z0 à ATLAS
71 Ce qui est garanti Découverte du boson de Higgs ou du mécanisme de génération de masse 2012 au mieux, 2015 au pire NB: compétition du TeVatron (Fermilab, USA) Si pas de découverte : crise théorique 68/84
72 Plan de l exposé La théorie actuelle Les forces La matière et les masses L expérience actuelle : le LHC L accélérateur Les détecteurs Les indices : La matière noire 69/84
73 70/84
74 Fritz Zwicky, du California Institute of Technology en /84
75 Chandra X-ray Observatory Août 2006 : amas de galaxies du boulet 72/84
76 73/84
77 74/84
78 Ingrédients suffisants : WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) Une particule lourde (~ W) interagissant faiblement Stable???? 75/84
79 Par exemple : Supersymétrie À chaque particule correspond une superparticule plus lourde La superparticule la plus légère est stable 76/84
80 Stables, mais interagissent entre elles 77/84 Flux plus élevé aux environs de M
81 PAMELA a Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics Observation of an anomalous positron abundance in the cosmic radiation ( GeV) 78/84
82 79/84
83 December 30 km/s 60 ~ 232 km/s DArk MAtter 80/84 30 km/s June
84 8
85 Détection de WIMPs au LHC 82/84
86 \ wé ÇÉà ~ÇÉã ã{tà \ Åtç tññxtü àé à{x ãéüäw? uâà àé ÅçáxÄy \ áxxå àé {täx uxxç ÉÇÄç Ä ~x t uéç ÑÄtç Çz ÉÇ à{x áxt@á{éüx? á{éüx? tçw w äxüà Çz ÅçáxÄy Ç ÇÉã tçw à{xç y Çw Çz t áåééà{xü ÑxuuÄx ÉÜ t ÑÜxàà xü á{xää à{tç ÉÜw ÇtÜç? ã{ Äáà à{x züxtà ÉvxtÇ Éy àüâà{ Ätç tää âçw ávéäxüxw uxyéüx ÅxA 83/84
87 84/84
88 Coûts LHC : 6.3 G Gare de guillemins : 437 M ~ CMS Budget défense belge 2008 : 3.4 G GDP/dette belge : 341 G Budget militaire européen annuel : 250 G GDP européen annuel : G
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