A la recherche du boson de Higgs

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1 Le carnaval de la physique A la recherche du boson de Higgs

2 Plan Présentation du modèle standard de la physique des particules Qu'est ce qu'un accélérateur de particules? Qu'est ce que le LHC au CERN? Comment détecte-t-on ces particules? Qu'est ce que le boson de Higgs? Comment le traquer expérimentalement au LHC?

3 Qu'est ce que la physique des particules? La physique des particules étudie les particules élémentaires. Une particule élémentaire est une particule de la matière que l'on ne peut diviser. En associant ses briques élémentaires, on reconstruit toute la matière présente dans l'univers.

4 A la découverte de la première particule élémentaire... En 1897, J. J. Thomson découvre l'électron en étudiant les rayons cathodiques (tubes cathodiques dans les «anciennes télévisions») «J'ai découvert la première particule élémentaire : l'électron.» électron Les électrons tournent autour du noyau. noyau Les électrons sont des particules ayant une charge électrique négative. Atome

5 Les protons et le neutrons sontils des particules élémentaires? Compositivité du noyau neutron Qu'est ce qui maintient la cohésion des protons et des neutrons dans le noyau? charge nulle proton découvert par Chadwick en 1932 charge positive Présence d'une nouvelle force : la force nucléaire Manifestation de l'interaction forte entre les particules qui composent les nucléons : 1963 les quarks Les quarks sont des particules élémentaires Charge électrique quark u : +2/3e quark d : -1/3e

6 Une nouvelle particule élémentaire : le neutrino La radioactivité : Découverte par Becquerel en 1896 Etudiée par Pierre et Marie Curie 14 C État instable Neutron Energie initiale proton = + 14 N État stable électron Energie finale Pour résoudre ce problème d'énergie manquante, Pauli postule en 1931 l'existence d'une nouvelle particule : le neutrino

7 Une nouvelle particule élémentaire : le neutrino La radioactivité : Découverte par Becquerel en 1896 Etudiée par Pierre et Marie Curie C N État stable État instable Neutron Energie initiale proton = + électron + neutrino Energie finale Pour résoudre ce problème d'énergie manquante, Pauli postule en 1931 l'existence d'une nouvelle particule : le neutrino

8 Une grande découverte : les anti-particules A partir de la célèbre équation d'einstein E² = (mc2)², Dirac montre qu'il existe 2 solutions : E = + mc2 : particule d'énergie positive comme un électron E = - mc2 : particule d'énergie négative? En 1928, Dirac postule l'existence des antiparticules. A chaque particule correspond son antiparticule qui a la même masse mais qui a une charge opposée : «Avec mes formules, j'ai découvert un électron de charge positive!!!» En 1932, Anderson découvre l'antiparticule de l'électron baptisée le positon «J'ai découvert grâce à l'étude des rayons cosmiques un électron positif» EN 1995, le CERN fabrique en laboratoire le premier anti-atome : L'antihydrogène composé d'un anti-électron et d'un antiproton.

9 Les briques élémentaires de la matière Chaque particule (électron, neutrino...) a une antiparticule associée (positon, antineutrino) de même masse mais de charge électrique opposée : 12 particules élémentaires + 12 antiparticules élémentaires

10 Qu'est ce qu'une force? Les particules (électrons, protons, neutrino...) interagissent par l'intermédiaire d'une force (électrique, gravitation...). Cette force se matérialise par un échange entre ces particules d'une particule messagère (ballon) Particule A Particule B Plus une particule messagère aura une masse importante, plus la force sera de courte portée

11 Les briques élémentaires de la matière : les bosons Aujourd'hui, on connait quatre forces : A chaque force sont associée une ou plusieurs particules messagères. forces exemples Particules messagères force de gravitation Rotation des planètes, chute d'une pomme graviton? force électromagnétique Aimant, interaction entre particules chargées photon force nucléaire forte Cohésion des protons et neutrons dans le noyau gluon force nucléaire faible radioactivité

12 Une multitude de nouvelles particules? En associant les particules élémentaires, on peut créér d'autres particules : - avec de 3 quarks - avec un quark et un antiquark :

13 Une multitude de nouvelles particules? Les pions ont été découverts en 1947 en envoyant un ballon sonde à très hautes altitudes pour étudier les rayons cosmiques (flux de particules venant de l'univers : explosion d'étoile, soleil...). Depuis de nombreuses particules subatomiques ont été découvertes en associant les quarks et/ou les anti-quarks selon des règles bien précises. Les nouvelles particules à découvrir sont très énergétiques (masse élevée). Malheureusement, les nouvelles particules sont rares dans les rayons cosmiques. Il faut une nouvelle technologie : les accélérateurs de particules.

14 La fameuse équation E = mc2 En 1905, Einstein montre l'équivalence masse-énergie par sa célèbre équation : E = mc2 - On peut donc créer de l'énergie à partir de la masse :

15 E = mc2 à l'origine des accélérateurs de particules A partir du principe d'équivalence E = mc2, on peut donc créer de la masse (particules) à partir de l'énergie : c'est ce principe qui est à l'origine de la construction des accélérateurs de particules à travers le monde. Comment créé-t-on de nouvelles particules en laboratoire? On accélère des particules pour augmenter leur énergie cinétique. On les fait entrer en collision. Dans ce flot d'énergie, de nouvelles particules émergent d'après E = mc2 On détecte ces nouvelles particules avec les détecteurs adéquats. Accélérateur circulaire : le tevatron au Fermilab aux EtatsUnis : en fonctionnement

16 Les accélérateurs de particules à travers le monde Le LEP au CERN à Genève : - Collisionneur électron-antiélectron - anneau de 27 km de circonférence - Les électrons sont accélérés jusqu'à 0,1TeV - Découverte des bosons W+, W- et Z - Fermé en 2000 Tevatron au Fermilab à Chicago : - Collisionneur proton-antiproton - anneau de 7 km de circonférence - Les protons sont accélérés jusqu'à 1 TeV - Découverte du quark top en En fonction 1 TeV = C'est l'énergie cinétique d'un électron, initialement au repos, accéléré sous une tension de mille milliard de volt = V!

17 Les accélérateurs de particules à travers le monde : le LHC Le LHC au CERN à Genève en quelques chiffres : UN DEFI TECHNOLOGIQUE - collaboration internationale - collisionneur proton-proton - anneau de 27 km de circonférence - les protons sont accélérés jusqu'à 7 TeV - un proton effectue tours d'anneau par seconde électroaimants supraconducteurs - 4 détecteurs : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb millions de collisions proton-proton par seconde enregistrables pour chaque inauguré en septembre 2008 détecteur

18 Comment fonctionne un accélérateur de particules? Comment accélère-t-on les particules? Une particule chargée soumise à une différence de potentiel est accélérée. Comment faire tourner les particules dans l'anneau circulaire? On courbe la trajectoire des particules chargées (électron, proton...) par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Au LHC, pour courber la trajectoire des particules d'une énergie de 7 TeV, il faut des champs magnétiques très intenses. On utilise des électroaimants supraconducteurs refroidis par de l'hélium liquide (proche de 0 K).

19 Le détecteur ATLAS du LHC ATLAS animation ATLAS en quelques chiffres : Construction : 20 ans Enterrée 100 m sous terre Longueur : 46 m Hauteur : 25 m Poids : 7000 tonnes Collaboration de 167 laboratoires issus de 37 pays soit 1800 scientifiques de collisions proton-proton par seconde... Si on voulait enregistrer toutes ses données : il faudrait une pile de CD de 100 m de haut par seconde!!! Heureusement, en moyenne environ 1 collision sur est intéressante. Un système de déclenchement (trigger) sélectionne automatiquement les collisions intéressantes.

20 Comment détecte-t-on les particules? Un exemple : le calorimètre d'atlas : Électronique d'acquisition photomultiplicateur Plomb Particules (pion, proton, neutron...) Photon = lumière Signal électrique On a ainsi accès aux informations suivantes concernant ces particules : la trajectoire, la masse, l'énergie, l' impulsion, la charge,...

21 Qu'est ce que le boson de Higgs? Il existe des particules élémentaires 1000 milliard de fois plus lourde que d'autres Pourquoi les masses des particules élémentaires sont aussi variées? Comment expliquer que les particules élémentaires aient une masse? En 1964, Higgs pense avoir trouvé un élément de réponse : Dans tout l'espace règne un champ (appelé champ de Higgs) Plus une particule élémentaire interagit fortement avec le champ de Higgs, plus sa masse est élevée. Comme toute interaction (gravitation, électromagnétisme, nucléaire...), elle possède une particule messagère : le boson de Higgs.

22 L'énigme de la masse des particules et le boson de Higgs Une célébrité (la particule) entre dans une pièce et la foule (chaque individu est un boson de Higgs) s agrège autour d elle et ralentit sa progression (sa masse augmente)

23 Conclusion La matière est composée de particules élémentaires (électron, muon, quark, neutrino, photon, gluon...) : ce sont les briques élémentaires de l'univers. C'est le modèle standard Pour expliquer la masse des particules élémentaires : boson de Higgs. Si le boson de Higgs existe : l'énergie disponible au LHC est nécessaire pour le trouver! Le LHC pourrait donner des éléments de réponses concernant : Les particules supersymétrique (candidats pour expliquer la composition de la matière noire) L'asymétrie matière - antimatière Le plasma de quarks et de gluons Mais on peut s'attendre également à quelques surprises...car on n'a jamais sondé la matière à de telles énergies!!!

24 Sur le net : Site du CEA : animations et dossiers sur l'énergie, le climat, la physique nucléaire, la radioactivité, l'imagerie médicale... qui sont des thèmes majeurs pour le monde de demain! Site EDF : énergies renouvelables + voiture à air comprimé Quelques livres : - «La nature de la physique» de R. Feynman - «L'heure de s'enivrer» de H. Reeves - «Une brève histoire du temps» de S. Hawking