Particules élémentaires et interactions fondamentales

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1 Particules élémentaires et interactions fondamentales Vanina Ruhlmann-Kleider CEA/DSM/DAPNIA/SPP 1) La préhistoire 2) Accélérateurs, détecteurs et collisions 3) Le modèle standard 4) Résultats récents 5) Bilan et perspectives Ecole d'été e2phy août

2 La préhistoire Le point de départ: la structure de l atome 1913: N.Bohr, théorie quantique de l atome 1897, J.J.Thomson 1919, E.Rutherford , E.Rutherford, H.Geiger et E.Marsden 1932, J.Chadwick Ecole d'été e2phy août

3 1931, P. Dirac : e + prédiction théorique L antimatière existe! chambre à brouillard 1932, C. Anderson : découverte du positon dans les rayons cosmiques e + Ecole d'été e2phy août

4 Au-delà de la matière ordinaire 1937, découverte du muon (C. Anderson et S. Neddermeyer) 1947, découverte du pion (C. Powell) 1947 découverte des kaons neutres et chargés (G. Rochester et C. Butler) K 0 π + π - K ± µ ± ν clichés de chambre à brouillard exposée aux rayons cosmiques Ecole d'été e2phy août

5 Les accélérateurs entrent en scène 1940 Cliché de chambre _ à bulles: interaction p sur p 1948, cyclotron de Berkeley à 95MeV/nucléon: première production de π en laboratoire (E.Gardner, G.Lattes) Nb: 1 MeV = 10 6 ev, 1 GeV=10 9 ev Ecole d'été e2phy août

6 Des particules à foison! ν τ mais seulement 12 constituants «élémentaires» Ecole d'été e2phy août

7 Théorie quantique de l électromagnétisme Des particules élémentaires Tests de précision de l électrodynamique quantique Théorie quantique de l interaction électrofaible Théorie quantique de l interaction forte Tests de précision de la théorie quantique de l interaction électrofaible ν τ bosons médiateurs électrofaibles et forts aux interactions fondamentales Ecole d'été e2phy août

8 Accélérateurs, détecteurs et collisions L exemple du LEP au CERN CERN LEP LEP 1 ( ): collisions à 91 GeV LEP 2 ( ): Nb: Mcollisions proton = 1 de GeV130 à 209 GeV Ecole d'été e2phy août

9 Probabilité d interaction σ [nb] L [pb s' / s > 0.85 L3 e + e e + e hadrons W γγ > 5 GeV e + e γ/z qq _ (γ) LEP 1: ~ 17 millions de désintégrations du Z 10-3 e + e W + W qq _ qq _ 10-4 m H =114 GeV e + e HZ qq _ qq _ e + e ZZ qq _ qq _ s [GeV] énergie des collisions LEP 2: ~ 50 mille paires W + W - Ecole d'été e2phy août

10 Les détecteurs au LEP Ecole d'été e2phy août

11 Le détecteur DELPHI Ecole d'été e2phy août

12 Un exemple d état final de collision à LEP 1: ALEPH Désintégration d un Z en deux quarks qui se matérialisent en jets de particules (~70% de probabilité) Autres désintégrations possibles: Z e - + e -, µ + µ -, τ + τ - (10%) Z νν (20%) Ecole d'été e2phy août

13 Un exemple d état final de collision à LEP 2: - e + e - W + W - e + νµ - ν DELPHI Production d une paire de W se désintégrant en leptons, ici en e, µ et neutrinos indétectables (10%) Autres désintégrations possibles: W W lν qq (43%) W W qq qq (47%) Ecole d'été e2phy août

14 Le modèle standard les constituants élémentaires: 6 leptons 6 quarks e - ν e u d µ - ν µ c s τ - ν τ t ou top b Enjeu expérimental: # constituants; propriétés des constituants les moins bien connus (lepton τ, neutrinos, quarks lourds c, b et top). Ecole d'été e2phy août

15 les interactions fondamentales o Les interactions fondamentales entre particules de matière sont propagées par des particules médiatrices : = o Bilan: 3 interactions fondamentales propagées par des bosons médiateurs de spin 1: γ interaction électromagnétique W ± et Z interaction faible 8 gluons interaction forte Ecole d'été e2phy août

16 les interactions fondamentales o Quelques autres exemples de processus d interaction au LEP (en représentation diagrammatique): mais aussi: Enjeu expérimental: préciser les caractéristiques des interactions faible et forte. Ecole d'été e2phy août

17 symétrie et brisure de symétrie o Symétrie électrofaible : interactions électromagnétique et faible sont indifférenciées à haute énergie. o Brisure de la symétrie électrofaible : à basse énergie la symétrie est spontanément brisée. génération des masses des particules: M γ = 0 ( portée infinie de l interaction électromagnétique) M Z ~ 91 GeV, M W ~ 80 GeV ( portée finie de l interaction faible) Nb: M proton = 1 GeV valeurs confirmées expérimentalement lors de la découverte des W et Z au CERN (années 80) Ecole d'été e2phy août

18 symétrie et brisure de symétrie o Question ouverte : quel est le mécanisme exact de la brisure de la symétrie électrofaible? Une possibilité : les masses des particules sont dues à leur couplage avec un boson de spin 0 dit boson de Higgs ( mécanisme de Higgs à un seul doublet de champs scalaires ) = solution minimale, viable théoriquement et à fort contenu prédictif... à part la valeur de la masse du boson de Higgs qui n est pratiquement pas contrainte par la théorie! 0 < M H < 1000 GeV Enjeu expérimental: rechercher tous les indices sur le boson de Higgs et sur les autres mécanismes possibles. Ecole d'été e2phy août

19 Résultats récents: l exemple du LEP propriétés des quarks c et b propriétés du lepton τ tests de précision du modèle standard..... et de ses extensions recherches de nouvelles particules les sujets d étude au LEP étude de l interaction forte Ecole d'été e2phy août

20 Mesures de précision: l exemple du Z Courbe de résonance du Z : o mesure du nombre de neutrinos légers: N ν = 2,9840 ± 0, familles seulement! o mesure de la masse du Z: M Z = 91,1875 ± 0,0021 GeV (précision ~ ) avant le LEP: N ν 4 (cosmologie) précision sur M Z : 0,9 GeV (1%) Ecole d'été e2phy août

21 Précision des mesures : pourquoi? La précision est indispensable pour mesurer les effets quantiques d ordre supérieur : exemple: F(M 2 top) corrections à 1 boucle ordre 0 F(LnM H ) intérêt : contraindre par l expérience les paramètres inconnus du modèle standard, par exemple M top, M W ou M H. Ecole d'été e2phy août

22 Résultat 1: prédiction de la valeur de M top Sur un même ensemble d observables : Théorie prédictions fonction de M top Expérience mesures précises Le modèle standard est confirmé! ajustement de la valeur de M top : +12 M top =179,4-9 GeV valeur mesurée directement (TeVatron, USA): M top =172,7 ± 2,9 GeV avant le LEP: M top > 60 GeV 1993: mesures de précision au LEP: M top = GeV 1995: découverte du top au TeVatron: M top = 180 ±12 GeV Ecole d'été e2phy août

23 Résultat 2: prédiction de la valeur de M H ajustement de la valeur de M H : M H = GeV -32 M H < 186 GeV (95% CL) domaine exploré par les recherches «directes» (LEP): M H > 114,4 GeV (95% CL) avant le LEP: expérience : M H > 100 MeV, théorie M H < 1000 GeV Ecole d'été e2phy août

24 A-t-on vu un boson de Higgs standard au LEP? 4 jets de particules deux jets dus à des b Résultat final de LEP 2: état final: Quelques e + e - états finals à HZ forte probabilité signal qq observés. bb probabilités Compatibilité signal avec et fond l hypothèse comparées: d une fluctuation du fond: 9% ln(1+s/b) = 1,73 masse Comptabilité reconstruite: avec l hypothèse M H = 114 ± 3 d un GeV signal à 115 GeV: 15% Ecole d'été e2phy août

25 Bilan et perspectives Mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible Bilan actuel (LEP (CERN), SLC (US), TeVatron (US)) : modèle standard confirmé au niveau quantique, mais pas de Higgs M H < 186 GeV M H > 114,4 GeV (M H = GeV?) extensions : modèles composites très défavorisés, modèles de Higgs encore en course, mais pas de nouvelle particule de m<o(100 GeV) Le futur (TeVatron (US), LHC (CERN), ILC?) : Recherche de nouvelles particules de masse 100 < m < O(1000) GeV Poursuite des mesures de précision supersymétrie? Les enjeux : brisure de la symétrie électrofaible, unification des interactions électrofaible et forte, autres symétries, théorie quantique cordes? de la gravitation nouvelles dimensions? Ecole d'été e2phy août

26 Expérience ATLAS au LHC en cours de montage au CERN (juillet 2005) Ecole d'été e2phy août

27 Brisure de la symétrie électrofaible Violation de CP par l interaction faible Effets quantiques = prédictions Mécanisme exact? Effets niveau quarks = prédictions Poursuivre les mesures LEP (CERN), SLC (US), TeVatron (US) LHC (CERN) Babar (US), Belle (Japon) LHC (CERN) L interaction forte Structure profonde du p Intensité de l interaction Plasma quark-gluon? Hera (DE), RHIC (US) LHC (CERN) Les thèmes de la physique des particules Les neutrinos Les ν sont massifs Masses? ν = ν ou ν ν? Violation de CP? Japon, US, Europe La grande question: qu y a-t-il au delà du modèle standard? Ecole d'été e2phy août

28 3mn noyaux ans atomes 1 milliard d années étoiles et galaxies 15 milliards d années particules et antiparticules p, n, mésons antiparticules s s 3mn symétrie 100GeV électrofaible 1 MeV brisée Ecole d'été e2phy août