Physique subatomique: zoom sur la physique au LHC

Physique subatomique: zoom sur la physique au LHC 1

Sommaire La physique des particules Constituants élémentaires Forces et interactions Fondements théoriques Zoom sur le LHC Le LHC Le fonctionnement des expériences Résultats expérimentaux Mesures de précision La découverte du boson de Higgs La recherche de «nouvelle physique» 2

Programme de Lycée Bac S 3

Constituants élémentaires Les 4 éléments Réponse de la physique des particules : 12 particules élémentaires today Le LHC permettra peut-être d'en découvrir de nouvelles... «Toute chose est faite de petits grains incassables et de vide : ATOMOS» Des réponses qui évoluent au cours de l'histoire... Démocrite 4

Constituants élémentaires L atome : 0.1 nm = 0.000 000 1 mm Le monde quantique Le noyau, les protons et neutrons 1 fm = 0.000 000 000 001 mm Les particules élémentaires quarks et leptons, sans structure <<< 0.001 fm 5

Constituants élémentaires Comment sonder la structure de la matière? Dualité onde-corpuscule (M.Q.) Fonction d onde pour décrire les particules longueur d onde de De Broglie L atome : 0.1 nm Le monde quantique = 0.000 000 1 mm Sonde la matière à petite échelle = grande énergie Les particules élémentaires quarks et leptons, sans structure <<< 0.001 fm On peut utiliser des électrons de haute énergie à la place de photons Avec un microscope électronique en transmission : 0,08 nm Avec un faisceau d'électron de 100 GeV : 10-18 m 6

Constituants élémentaires s Diffusion électron-proton avec échange de photon virtuel Complexe expérimental: Accélérateur e - p (1992-2007) à DESY (Hambourg/Germany) Energies 920 GeV (proton) et 27.5 GeV (electron/positron) 3 expériences ponctuel Objet étendu Energie Constitué de quarks Mer de quarks et gluons Longueur d onde 7

Constituants élémentaires s Charge électrique hadrons = fort 938.2 MeV 939.5 MeV Trois particules élémentaires suffisent à expliquer le contenu de toute la matière «ordinaire» et sa diversité. Lepton = léger Masse Spin 8

Constituants élémentaires s Spectre continu des électrons dans les désintégrations β Les neutrinos sont produits en abondance par le soleil les centrales nucléaires etc Très faible interaction avec la matière Existence postulée par W.Pauli en 1930 Découverte en 1956 par F.Reines (Nobel en 95) 4 Zoo des particules élémentaires 9

Constituants élémentaires s En 1932, C.D. Anderson découvre le positron (antiélectron) avec des rayons cosmiques interagissant dans une chambre à brouillard (prix Nobel en 36) Les antiparticules ont des nb quantiques opposés aux particules tels que la charge électrique. Elles ont les mêmes masses et spin 10

Constituants élémentaires s En 1936, C.D. Anderson découvre le muon avec des rayons cosmiques m(µ) = 105 MeV/c 2 ~(soit ~ 200 x m(e)) instable temps de vie : 2,2 µs Depuis lors d autres particules instables ont été découvertes Chambre à étincelles Chambre à brouillard 11

Constituants élémentaires s Le vide «existe» et sa densité d énergie est non nulle!! Le vide contient en son sein toutes les «potentialités», ie il encode l existence de toutes les particules et de leur interaction même lorsqu elle ne se matérialise pas. Il peut interagir avec les particules «réelles» Exemple de manifestations du vide: effet Casimir, effet Lamb Comprendre sa structure comprendre les lois de la physique fondamentale 12

Constituants élémentaires s Particules de spin 1/2 Suivent la statistique de Fermi-Dirac Prince d exclusion de Pauli Observable sous forme d'états liés (mésons, baryons) Production de jets à haute énergie pion proton jet Difficilement détectable Interaction fait apparaître un lepton de même saveur Électron = stable Muon = se désintègre stable dans détecteur (2.2 10-6 s) cτ = 600 mètres Tau = se désintègre très rapidement (2.8 10-13 s) 1 ère 2 ème 3 ème génération 13

Forces et interactions Théorème de Noether: Les symétries induisent des quantités conservées Symétrie «locale»: Imposer une invariance locale (x,t) induit l introduction de nouveaux champs correspondant aux médiateurs d interaction L existence du photon peut-être déduit de l invariance de jauge en QED Interaction électromagnétique Matérialisation Il en va de même pour les autres interactions 15

Forces et interactions s Désintégration du neutron Désintégration du muon Théorie de Fermi Interaction faible avec Production d un boson W virtuel Masse (p) ~ 1 GeV/c 2 Masse(µ) ~ 105 MeV Masse(W) ~ 80 GeV 16

Forces et interactions s 17

Constituants élémentaires s Fermions Bosons Particules de spin 1 Suit la statistique de Bose-Einstein Médiateur de l'électromagnétisme Charge électrique nulle Masse nulle Médiateur de l'interaction forte Porte une «charge de couleur» Masse nulle Médiateur de l'interaction faible Porte une «hypercharge faible» Très massifs Brisure de symétrie électro-faible 18

Relativisté restreinte Deux postulats : Les lois de la physique ont la même «forme» dans tous les référentiels d'inertie La vitesse de la lumière dans le vide est une constante (c 300 000 km/s) Albert Einstein (1879-1955) Propagation de l'information Simultanéité Conséquences (si v proche c): Dilatation des durées Contraction des longueurs Référentiel propre temps propre masse au repos Exemple : le temps de vie du muon de 2.2 10-6 s Considérons un muon de 6 GeV Vitesse: 0.9912 c Boost de Lorentz 7.55 Probabilité de parcourir 10 km: Sans dilatation du temps: 2.7 E -7 Avec: 0.14 Concept d'espace-temps 4 dimensions 20 Dilatation Janvier du 2015 temps Rencontre Temps UFR de viep&i Eric Chabert 20

Relativité restreinte Equivalence masse - energie : E = mc 2 création de matière à partir d'énergie (accel. de particules) possibilité de transformer la matière pour obtenir de l'énergie Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme (Lavoisier) e + e - µ + µ - ou u u ou W + W - ou 2e + 2e - ou... Au LHC, les protons accélérés à plus de 99.999999% de la vitesse de la lumière Le nombre de particules n'est pas conservé La «masse» n'est pas conservée MAIS... Conservation énergie - impulsion «Lois de transformation» 21

Mécanique quantique Le principe d'incertitude de Heisenberg Δp Δx Ћ/2 Limite intrinsèque (hors expérimentale), notions de position et trajectoire modifiées par rapport à une vision classique ΔE Δt Ћ/2 fluctuation de l'énergie (ΔE) sur des temps Δt Un monde probabiliste Particule décrite par des probabilités d'être dans différents «états» Expérimentalement, une condition initiale peut conduire à différentes observations Longueur d'onde Compton : Monde Quantique vs Monde Classique Objet macroscopique: Fraise : m~30 g, R=5 cm λ=10-35 m R>>λ Monde «classique» Objets microscopique: e - : m~ 9.1x10-31 kg, R=10-18 m λ=2x10-12 m R<<λ Monde «quantique» Les objets qui nous entourent ne sont pas soumises aux règles du monde quantique... 22

Mécanique quantique Le principe d'incertitude de Heisenberg Δp Δx Ћ/2 Limite intrinsèque (hors expérimentale), notions de position et trajectoire modifiées par rapport à une vision classique ΔE Δt Ћ/2 fluctuation de l'énergie (ΔE) sur des temps Δt Un monde probabiliste Particule décrite par des probabilités d'être dans différents «états» Expérimentalement, une condition initiale peut conduire à différentes observations 23

Mécanique quantique 24

Le modèle standard 25

Le LHC 27

Le LHC: frontière en énergie Nécessité d'avoir des collisions de protons de haute énergie pour produire des particules massives non encore observées 13 TeV au LHC Montée en énergie des accélérateurs 28

Le LHC 29

Les expériences du LHC 30

Expérience CMS 43 countries involved 191 institutes 3500 scientists, engineers & PhD students 32

Expérience CMS 33

Expérience CMS 34

Expérience CMS 35

Collisions proton-proton au LHC 36

Collision p-p observée par CMS 37

Collision p-p dans CMS 44

Transmission de l information 45

Transmission de l information 46

Observation de particules 47

Mesures et incertitudes Analogie «fit»-> «fitness» Variation quotidienne du poids (err stat.) Variation saisonniere (err. syst.) Balance: resolution - range (ex: 4g vs avion).. 48

Mesures de précisions s La théorie repose sur 19 paramètres libres qui doivent être déterminés expérimentalement Masses Constantes de couplages Toutes les mesures effectuées jusqu à présent sont compatible avec le modèle standard (à 2 σ) L observation de déviations reviendrait à remettre en question la validité du modèle («nouvelle physique») 50

Mesures de précisions s Structure du proton Accesible expérimentalement Correction quantique d ordre 1 + corrections aux ordres supérieurs 51

Mesures de précisions s 52

Mesures de précisions s Mesures réalisées par plusieurs expériences Incertitudes sur chaque mesure: Statistiques Systématiques ex: LEP energy La combinaison de mesures permet de diminuer l incertitude totale 53

Mesures de précisions s Incertitudes sur l échelle en énergie des jets PDF Etc.. 54

Mesures de précisions s 55

Mesures de précisions s Nombre de collisions = σ i Luminosité 56

Mécanisme de Higgs s Le fait que les bosons W et Z soient massifs brise la symétrie électrofaible Il faut trouver une manière de respecter la symétrie tout en rendant compte de la masse de ces bosons La solution: un mécanisme de brisure spontané Exemple avec les mains: La solution brise la symétrie du problème Introduction d un champ scalaire Présence d un potentiel avec une forme «bien choisie» Postulé en 1964 Découvert en 2012 58

Mécanisme de Higgs s Champs scalaire Prédiction d un nouveau boson massif (auto-couplage) Les bosons W et Z acquièrent une masse à travers leur interaction avec le champ de Higgs Les fermions acquièrent une masse à travers leur couplage dit de Yukawa avec le champ de Higgs Autocouplage du Higgs La masse du boson de Higgs est un paramètre libre 59

Mécanisme de Higgs s 60

Mécanisme de Higgs s Quelques canaux importants Canal bb (57%) Canal ττ (6.3%) Canal WW (22%) Canal ZZ (3%) Canal γγ (0.2%) 63

Découverte annoncée le 4/07/2012 Prix Nobel 2013 68

Découverte du boson de Higgs s 69

Mécanisme de Higgs s Mesure des nombres quantiques J PC 70

Mécanisme de Higgs s Désintégrations ne conservant pas le nombre leptonique Désintégrations ne conservant pas la saveur BR(Hèτμ)<1.6% à 95% CL BR(tèHq)<1% à 95% CL Recherche de particules invisibles, couplées au boson de Higgs et candidats à la matière noire BR(Higgsèinvisible)<60% à 95% CL BR(Higgsèinvisible)<30% à 95% CL 72

Mécanisme de Higgs s L accumulation de données dans les années à venir va permettre de réduire les incertitudes sur les mesures (notamment les couplages) et d abaisser les limites sur les modes rares (voir de faire de nouvelles découvertes ) Cela permettra aussi d explorer de nouveaux modes de production: 73

Recherche de «nouvelle physique» s 75

Recherche de «nouvelle physique» s Motivation scientifique pour effectuer cette recherche Définir l état final recherché 76

Recherche de «nouvelle physique» s Définir des critères de sélection dans les données adapté à l événement considéré Ex: recherche de «stop» prédit par des modèles de supersymétrie 77

Recherche de «nouvelle physique» s Estimation des contributions pouvant provenir d autres processus physiques ou de bruit de fond instrumentaux 78

Recherche de «nouvelle physique» s Définir des critères de sélection dans les données adapté à l événement considéré Estimation des contributions pouvant provenir d autres processus physiques ou de bruit de fond instrumentaux On optimise le set de sélection appliquées voir on utilise des outils d analyse multivariée Traitement statistique des résultats obtenus en vue de faire une découverte ou à défaut de mettre des contraintes sur des modèles théoriques 79

Recherche de «nouvelle physique» s Traitement statistique des résultats obtenus en vue de faire une découverte ou à défaut de mettre des contraintes sur des modèles théoriques 80

Recherche de «nouvelle physique» s 81

Recherche de «nouvelle physique» s Le LHC vient juste de redémarrer avec une énergie de 13 TeV (contre 8 TeV précédemment) Le LHC devrait fournir > 10 x fois de données dans les 6 ans à venir La communauté scientifique espère que des découvertes restent à venir 82