Conférence NEPAL donnée aux élèves des classes préparatoires du lycée Rouvière Toulon 25 février 2005 Chafik Benchouk Centre de Physique des

Transcription

1 Comment on observe les particules élémentaires Conférence NEPAL donnée aux élèves des classes préparatoires du lycée Rouvière Toulon 25 février 2005 Chafik Benchouk Centre de Physique des Particules de Marseille ; tel : )

2 Les particules élémentaires Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 2

3 La partie et le tout Science expérimentale : - Observer des objets et des phénomènes (naturels ou artificiels) - Etablir de lois gouvernant les propriétés des objets et des phénomènes observés - Rechercher des principes à l origine des lois Physique : - Formulation mathématique des lois - Recherche (plus facile) de similitudes entre objets et phénomènes et établissement de concepts et principes universels (forces, énergie, lois de conservation) Physique des particules élémentaires : - Décrire les propriétés de tous les objets et tous les phénomènes à partir d un ensemble réduit d objets et phénomènes fondamentaux (ou élémentaires) - Trouver les principes justifiant le caractère fondamental des ces objets Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 3

4 Les particules élémentaires contemporaines Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 4

5 Les interactions fondamentales contemporaines Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 5

6 Histoire des éléments Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 6

7 Réduction - Unification Démarche 1 : trouver similitudes/régularités (symétries) dans les propriétés des objets et/ou des phénomènes Démarche 2 (radicale/révolutionnaire, féconde): unification de deux concepts/phénomènes apparemment dissemblables (symétrie, invariance) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 7

8 Réduction - Unification : exemples démarche 1 Mendeleev : régularité des propriétés chimiques des éléments - tableau de classification - suivi de la mise en évidence de proton-neutron-électron Gell-Mann : régularité des propriétés des hadrons (famille du proton) - schéma de classification (théorie des groupes) (1961) - modèle des quarks (1964) et leur mise en évidence directe (1969) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 8

9 Réduction - Unification : exemples démarche 2 (histoire des interactions) Newton : unification de la pesanteur terrestre et de la mécanique céleste (masse inertielle, masse gravitationnelle) - loi de l attraction ``universelle`` - constante universelle de gravitation G Maxwell : unification des phénomènes électrique, magnétique, optique - électromagnétisme Einstein : unification/invariance des lois physiques pour deux référentiels en mouvement relatif uniforme - unification temps et espace, équivalence masse et énergie - constante universelle c, vitesse limite Planck : unification des concepts d onde (champ) et de corpuscule - équivalence énergie et temps inverse, équivalence impulsion et longueur inverse - constante universelle h, action limite Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 9

10 Réduction - Unification : l histoire continue Glashow-Weinberg-Salam : - unification de l interaction électromagnétique et de l interaction faible (années 60) - prédiction de courants «neutres» (observés en 1973 au CERN) - et du boson Z (observé, plus directement, en 1983 au CERN) - besoin du boson de Higgs (activement recherché, programme LHC démarrant en 2007) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 10

11 Le physicien des particules au travail Travail expérimental : - Produire les particules, les mettre en interaction Accélérateurs - Observer les particules, mesurer leurs propriétés Détecteurs Travail théorique : Comprendre/inventer la structure mathématique et le cadre physique avec lesquels on décrit les particules et les interactions - symétries - théories quantique, relativiste Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 11

12 Domaine quantique Caractérisation : grandeurs de dimension action ou moment cinétique (rappel : L= r x p) de valeur proche de celle de la constante quantique h L ~ h = J s - exemple 1 (non quantique) : système Terre-Soleil - exemple 2 : atome d hydrogène Phénomènes quantiques : - discrétisation de l énergie et du moment cinétique (spin) - interférences, Objets quantiques : de l atome (10-10 m) aux plus petites particules observées (10-18 m) : action ~ h Théorie : théorie quantique (amplitudes de transition complexes, ) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 12

13 Domaine relativiste Caractérisation : vitesses proches de la vitesse limite c (dite vitesse-de-la-lumière) v ~ c = m s -1, β = v/c ~ 1 - exemple 1 (non relativiste) : électron dans l atome d hydrogène (β = α = 1/137) - exemple 2 : - rayons cosmiques - électron produit dans les désintégrations naturelles de particules Phénomènes relativistes : - allongement de la durée de vie des particules en mouvement (facteur γ ; γ 2 = 1/(1-β 2 ) - équivalence masse-énergie E = m c 2 Théorie : relativité restreinte Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 13

14 Unités de masse et d énergie : ev, MeV, GeV, TeV, 1/ Utilisation d une unité particulière d énergie, l électron-volt (ev), ou ses multiples, au lieu de l unité d énergie SI, le joule : unité d énergie : 1eV = J - Remarque : convention bien adaptée aux accélérateurs (électromagnétiques) de particules chargées. 2/ Utilisation de l équivalence entre l énergie et la masse (E = m c 2 ) : unité de masse : 1eV = 1eV/c 2 = kg Exemples : - proton : m p = kg = J = MeV - électron : m e = kg = J = MeV Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 14

15 Fermions fondamentaux de matière fermions (spin ½) + antiparticules désintégration du muon : Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 15

16 Matière «ordinaire» : nucléons, noyaux, atomes Tableau des baryons (hadrons faits de 3 quarks) les plus légers : forces de liaison (atomique, nucléaire) Radioactivité β : particules instables (sauf proton) : désintégrations (interaction faible) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 16

17 Matière instable Tableau des mésons les plus légers : Désintégrations similaires à la radioactivité β - Interaction faible - Durées de vie relativement longues Autre famille de baryons : - Désintégration par interaction forte - Durées de vie très courtes Radioactivité β : Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 17

18 Autres particules instables Photon (boson de l interaction électromagnétique) stable Bosons W et Z (interaction faible) Bosons de Higgs (unification, à l origine de la masse des particules) durées de vie très courte ( ~ s) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 18

19 Dualité quarks-hadrons Particules fondamentales : quarks - portent une charge quantique (couleur) - théorie : chromodynamique quantique (Prix Nobel 2004) - rappel : électrodynamique quantique (électromagnétisme quantique) : théorie quantique et relativiste des particules portant une charge électrique Propriété des quarks : - n existent pas individuellement à l état libre (inobservables) - existent dans des assemblages neutres de couleur (comme les atomes sont des assemblages neutres de charge électrique) Particules observables dans la nature : - assemblages à 3 quarks : baryons (ex : proton) - assemblages quark-antiquark : mésons (ex : π) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 19

20 Particules visibles dans les détecteurs Particules directement détectables : - particules stables : électron, proton, photon - particules à durée de vie longue (~ > 10-8 s) : muon, pions, kaons, neutron - distance parcourue dans le laboratoire : d = γ β c τ ( τ : durée de vie propre, c-à-d dans le référentiel au repos de la particule) - β : proche de 1 (particules relativistes) - γ : > 1 Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 20

21 Particules observées indirectement Particules à durée de vie courte (~ < 10-8 s) dont les produits de désintégration sont des particules détectables - baryons et mésons lourds - lepton τ - découverte des bosons W et Z - recherche du boson de Higgs Particules à durée de vie courte (~ < 10-8 s) par l étude des profils de probabilités d interaction (courbes de résonance) Cas des neutrinos : - stables mais faiblement interagissant - détection indirecte via bilan d énergie-impulsion dans l événement (si résolution du détecteur suffisante) - si détecteur suffisamment massif, possibilité de réinteraction et production de particules détectables (muons, électrons) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 21

22 Etude et production de particules : accélérateurs Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 22

23 Taille des objets et leur observation Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 23

24 Sonder une particule Application d une propriété quantique : taille des objets à sonder : inv. prop. énergie de la particule sonde (relation de de Broglie : l = h/p =hc/e) - Rappel : vision (œil) sondage (diffusion sur l objet regardé) par des photons de longueur d onde [ ] µm, c-à-d d énergie ~ 0.2 ev Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 24

25 Produire une particule Application d une propriété relativiste : production de particules lourdes par conversion de l énergie cinétique des faisceaux de particules (relation d Einstein E=mc 2 ) - cas particulier : collisionneurs (conversion de toute l énergie cinétique) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 25

26 Exemples de collisionneurs : LEP, LHC au CERN - collisionneur électron-positron LEP ( ) : GeV - collisionneur proton-proton LHC (2007) : 14 TeV Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 26

27 Le complexe d accélérateurs du CERN Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 27

28 Pourquoi de si grands accélérateurs (1) Principe d accélération : action d un champ électrique ( E = q V) Distance totale d accélération (accélérateur linéaire) : dépend des champs électriques qu on peut produire sur une distance donnée sans claquage Limite actuelle : - 20 MV/m - faisceau de 50 GeV : 2.5 km - ex : collisionneur électron-positron de Stanford (concurrent LEP) Projet (à l étude) : - accélérateur linéaire de 500 GeV (collisionneur e+e- à 1 TeV) - longueur raisonnable (~ 5 km) - besoin de champs de 100 MV/m Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 28

29 Pourquoi de si grands accélérateurs (2) Principe de guidage des accélérateurs circulaires : - action d un champ magnétique - rayon de l orbite (q : charge ; B : champ magnétique ; p : impulsion) R = p/(q B) Taille des synchrotron à protons : déterminée par la valeur maximale des champs magnétiques qu on peut créer (pour maintenir le faisceau de particules sur une orbite de rayon fixe) Projet LHC : - réalisé dans le tunnel du LEP : circonférence 27 km - besoin de 7+7 TeV pour la recherche du boson de Higgs - Nécessité d aimants supraconducteurs (au moins 5 tesla) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 29

30 Pourquoi de si grands accélérateurs (3) Exemple du LEP (synchrotron à électrons) : - fonctionnait jusqu à 100 GeV par faisceau - utilisait des aimants conventionnels (pourraient produire 1.5 T) - rayon de 4.3 km (circonférence de 27 km), au lieu de 220 m Taille des synchrotron à électrons : due au coût de l énergie perdue par rayonnement synchrotron Rayonnement synchrotron : - puissance rayonnée : ~ m -4 R -2 (m : masse de la particule accélérée ; R : rayon de l orbite) - LEP dernier collisionneur e+e- circulaire. Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 30

31 Détection des particules Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 31

32 Principe de détection de particules chargées : ionisation Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 32

33 Signal induit Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 33

34 Détecteur élémentaire de trajectoires de particules Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 34

35 Mesure des impulsions des particules chargées 1- Enregistrement des trajectoires dans des détecteurs comme la chambre à fil, placés dans un champ magnétique (spectromètre, trajectographe, ) 2- Calcul des impulsions par la mesure de la courbure des trajectoires. 3- Détermination de la charge électrique de chaque particule par le sens de courbure de sa trajectoire. Exemple : - Détecteur ALEPH (collisionneur LEP) - collision e+e- à 207 GeV (en 2000) - cet événement : candidat boson de Higgs de masse 114 GeV. Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 35

36 Reconstruction de particules désintégrées Détecteurs de trace très précis ex : détecteurs au silicium Reconstruction des points (ou vertex ) de désintégration de particules instables Exemple : - agrandissement de l événement précédent - Reconstruction de hadrons beaux (contenant un quark b) - durée de vie : 1.54 ps - cτ = 0.46 mm - si p= GeV, γ = 2-20 et longueur de vol = 1-10 mm Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 36

37 Identification des particules chargées par mesure de l ionisation L énergie perdue par ionisation dépend : - des paramètres (relativistes) γ et β - c-à-d de l impulsion et de la nature (masse) de la particule Voir calcul élémentaire (non-relativiste) de la perte d énergie dans le fichier : - ionisation_elementaire.pdf (.ps) - sur le site (avec fichier transparents) Impulsion mesurée dans le spectromètre : - détermination de la nature de la particule par mesure de l ionisation Exemple : - Détecteur gazeux à fils (TPC) - mesures expérimentales et courbes d ionisation théoriques Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 37

38 Perte d énergie par rayonnement dans milieu dense Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 38

39 Mesure d énergie avec les calorimètres Calorimètre électromagnétique : - rayonnement électromagnétique (accélération dans les champs de noyaux à Z élevé ) - rayonnement important pour les électrons (car légers) identification des électrons de grande énergie - détecteur de photons de grande énergie (E > 50 MeV) Calorimètre hadronique : - perte d énergie par interaction forte (nucléaire) - détecteur de hadrons (proton, neutron, kaons, pions) Cas du muon : - lepton chargé lourd - interagit très peu dans les calorimètres - perte d énergie par ionisation (aux énergies actuelles) Cas du neutrino : - lepton neutre - pratiquement indétectable Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 39

40 Schéma de détection Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 40

41 Détecteur en couches cylindrique Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 41

42 Détecteur en couches cylindrique Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 42

43 Exemple : - Détecteur ALEPH (collisionneur LEP) - calorimètre électromagnétique : en vert - calorimètre hadronique : en rouge Électrons : dépôt électromagnétique + trace chargée Photons : dépôt électromagnétique sans trace chargée Muon : trace traversant tout le détecteur Hadrons : dépôt dans le calorimètre hadronique Identification calorimétrique Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 43

44 Observation indirecte (production virtuelle) Propriété quantique : Production de particule lourde (plus lourde que l énergie de la réaction) autorisée pendant un temps très court (inégalité de Heinsenberg : E*t ~ h) - particule virtuelle Exemple 1 : connaissance de la masse du boson W à partir des données sur les désintégrations faibles avant sa production réelle (collisionneur proton-antiproton SPS, CERN, 1984) Exemple 2 : détermination indirecte de la masse du quark top grâce aux données très précises de diverses expériences (en particulier LEP) indépendamment de son observation directe (collisionneur proton-antiproton TEVATRON, Fermilab, Chicago, 1995) Comparaison des deux valeurs : test de la cohérence du modèle théorique Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 44

45 Détermination indirecte de la masse du boson de Higgs Hypothèse d existence du boson de Higgs (pas encore observé directement par ses produits de désintégration) et exigence de cohérence du modèle théorique Résultat de l ajustement : m H = 113 (+56, -40) GeV c-à-d : masse du boson de Higgs < 246 GeV (95% CL) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 45

46 Détermination indirecte du nombre de neutrinos au LEP LEP : e+e- Z ff ff : e+e-, µµ, ττ, νν, qq Evénements avec neutrinos non enregistrés (non détectés) Détermination du nombre de ν (ν e, ν µ, ν τ,? ) par la mesure (précise) de la courbe de résonance de la section efficace en fonction de l énergie dans les canaux ff observés Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 46

47 Détecteurs en construction pour le LHC (2007) ATLAS et CMS : recherche du boson de Higgs, etc. (ATLAS : long. 44 m, diam. 22 m) LHCb : étude des violations de symétrie ALICE : collisons d ions lourds (plasma quark-gluon) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 47

48 Simulation d événements avec boson de Higgs au LHC Identification des électrons : calorimètre électromagnétique Identification des quarks b : détecteur de vertex Sélection rapide et efficace des événements intéressants (contributions marseillaises) Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 48

49 Calorimètre électromagnétique d ATLAS construit au CPPM- Marseille Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 49

50 Identification-détection détection par effet Cerenkov Effet Cerenkov : - Se produit pour une particule chargée de vitesse v supérieure à la vitesse c/n de la lumière dans le milieu (réfractaire) traversé - dépend du paramètre β = v/c Utilisation standard : identification - Impulsion mesurée dans le spectromètre - lumière émise fonction de β (c-à-d masse) Utilisation détecteur ANTARES : détection - muons de très grande énergie-impulsion - provenant de la conversion par interaction d un neutrino cosmique de très grande énergie Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 50

51 Détecteur ANTARES au large de Toulon Détecteur en construction : 25 étages par ligne 3 photo-multiplicateurs par étage 12 lignes Surface de 0.1 km site à 25 km de la côte Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 51

52 Prolongations Les transparents de cet exposé se trouvent sur : site : fichier : nepal_toulon_fevrier2005.ppt Autres transparents sur le même site (thème : A la recherche du boson de Higgs) : fichier : jeudi_cnrs_oct2004.ppt Fichiers sur le même site (Calcul élémentaire de la perte d énergie par ionisation) : fichiers : ionisation_elementaire.pdf (et.ps) Site du Centre de Physique des Particules de Marseille : Site du CERN : (en français ; cliquer en particulier sur la vignette Le CERN) Site de vulgarisation en français («L aventure des particules») : Ouvrage de vulgarisation : Collectif NEPAL, Voyage au cœur de la matière, Belin-CNRS Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 52

53 FIN Conférence NEPAL - Toulon - 25/02/05 - C. Benchouk (CPPM) 53