La physique des particules Le Large Hadron Collider (CERN)
Plan de l exposé Qu est ce que la physique des particules? Son histoire en quelques mots Le Modèle Standard Le LHC L expérience ATLAS Sous tendant l ensemble de l exposé, la réponse à deux questions élémentaires et légitimes : C est pour quoi faire? Combien ça coûte?
La physique des particules Etude et description des constituants élémentaires de la matière et de leurs interactions La notion «d élémentaire» a évolué au cours du temps : atome électron/nucléon quarks
Historique simplifié 1898 : Découverte de l électron par J.J. Thomson : la première particule 1909 : Expérience de Rutherford. Observation Feuille d or Source
Historique simplifié 1919 : Découverte du proton (E. Rutherford) 1921 : Réalisation du fait que l existence du noyau atomique est liée à l interaction forte 1923 : Découverte de l effet Compton (les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des particules)
Historique simplifié 1930 : Prédiction de l existence du neutrino (dans les désintégrations β) 1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson) avec une chambre à brouillard
Historique simplifié 1930 : Premier accélérateur de particules, cyclotron d E.O. Lawrence (80 kev, puis 1 MeV en 1932 (28 cm), et enfin 20 MeV en 1939 (150 cm)
Historique simplifié 1932 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion. 1946 1950 : Formulation de la théorie quantique de l électromagnétisme (QED) 1951 : Découverte des particules «étranges» 1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan) 1954 : Invention des théories de jauge non abéliennes (Yang Mills) Théorie de l interaction forte (QCD) 1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu) 1962 : Mise en évidence de l existence de neutrinos électroniques et muoniques il existe plusieurs «familles» de particules aux propriétés comparables
Historique simplifié 1960 1970 : Découverte de centaines de particules, réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks 1964 : Découverte de la violation de CP 1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible (Glashow, Salam, Weinberg) les débuts du Modèle Standard 1974 : Découverte d un nouveau quark (c: résonance J/Psi) 1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b), et d une nouvelle famille de quarks.
Historique simplifié 1976 : Découverte du lepton τ (troisième famille de leptons), qui vient s ajouter à l électron et au muon déjà connus. 1983 : Découverte du W et du Z au CERN (prix Nobel Rubbia/Van der Meer) 1990 2000 : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN, avec le LEP (e+e ) 1989 : Premières discussions sur la construction du LHC 1995 : Découverte du sixième quark (t) à Fermilab 2007 : Premières prises de données avec le LHC
Le Modèle Standard Décrire le monde avec aussi peu d ingrédients que possible Prendre en compte les symétries de comportement observées entre divers types de particules Description des interactions en terme d échange de particules. Description unifiée de l électromagnétisme et de la force faible ainsi que de la force forte, pas de la gravitation
Les particules élémentaires Electromagnétisme Force forte Force faible
L unification électro faible On peut permuter électrons et neutrinos, proton et neutron sans changer le comportement de l interaction introduction de l isospin faible Il faut quatre quantas pour décrire les interactions entre les particules d un doublet d isospin : deux neutres (photon et Z, deux chargées : W+,W ) Invariance par rotation de spin : groupe de symétrie SU2 Invariance par rotation vectorielle : U1 Combinaison des deux : SU(2) U(1)
L origine de la masse On sait décrire les interactions entre particules de masse nulle. Expérimentalement, elles en ont une, en particulier les W et Z! Brisure spontanée de symétrie Analogie avec le ferromagnétisme :
L origine de la masse A haute énergie, symétrie cylindrique A basse énergie, brisure de symétrie, due au champ de Higgs
Vers la grande unification? Evolution des constantes de couplage
Questions ouvertes du Modèle Standard Quid de la gravitation? Pourquoi trois familles? Où est le boson de Higgs? Y a t il quelque chose au delà du Modèle Standard Pourquoi le Modèle Standard a t il beaucoup de paramètres?
Les tests du Modèle Standard Beaucoup d entre eux ont été effectués par le LEP, dans les années 1990 à 2000 Il y a bien trois familles de neutrinos légers!
Tests actuels du Modèle Standard
Où est le Higgs? Y a t il de la nouvelle physique? 20
Pourquoi monter en énergie? Historiquement, l'exploration de nouveaux domaines d'énergie a souvent mené à de nouvelles découvertes. Pour avoir accès à des échelles de longueur de plus en plus petites : λ=1.24 10 15/P P=10 kev/c λ=0.1 nm structure de l atome P=1 GeV/c λ=1 fm structure du noyau P=100 GeV/c λ=0.01 fm structure du nucléon Pour pouvoir créer des particules lourdes, donc très instables
Pourquoi une forte luminosité? Très faible probabilité des processus intéressants LHC : Grande luminosité (1033 1034 cm 2s 1) σtotinel=70 mb Croisements de faisceaux toutes les 25 ns Détecteurs et électronique résistante aux radiations.
Comment monter en énergie? Puissance perdue par les particules par rayonnement synchrotron : W (E/m) ^4 1/r E=énergie du faisceau M=masse de la particule accélérée R=rayon de l accélérateur Augmentation de la puissance accélératrice : Il faut 16 fois plus de puissance pour doubler l'énergie des faisceaux! Changer la masse des particules accélérées : utiliser des protons au lieu d'électrons (mp/me=2000) 1013 fois moins d'énergie perdue par des protons que par des électrons!
Collisions p p vs e+e Les électrons sont des particules élémentaires (ponctuelles, sans structure interne) calculs théoriques relativement simples et précis Etat initial parfaitement connu Interactions relativement simples à comprendre Les protons ont une structure interne encore imparfaitement comprise Calculs théoriques délicats Etat initial inconnu (qq,qg,gg)?
Que va faire le LHC? Comprendre l origine de la masse des particules et le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible associé : recherche du boson de Higgs et étude de ses propriétés Recherche de physique au delà du Modèle Standard : Supersymétrie, autres scénarios plus exotiques Mesures de précision, tests du Modèle Standard : masse du quark top et du boson W, QCD, violation de la symétrie CP
Quatre expériences principales : ATLAS, CMS (généralistes) ALICE (physique des ions lourds, étude du QGP) LHCB : violation de CP
Quelques ordres de grandeur sur le LHC Energie cinétique par faisceau : 350 MJ (TGV de 500 tonnes à 300 km/h : 1750 MJ) Energie magnétique stockée dans les aimants : 8600 MJ (7 MJ/aimant, I=11850 A) Puissance émise par rayonnement synchrotron : 3.8 kw Puissance de refroidissement cryogénique : 240 MW
Combien ça coûte? LHC : 2 G euros Porte avions Charles de Gaulle : 3 G euros Campus universitaire neuf : 200 M euros Expériences : 310 M euros chacune (ATLAS/CMS) Coût d une expérience par chercheur : 100 k euros (1000 publications attendues sur 10 ans)
1232 aimants En cours d installation Premières collisions fin 2007
Le détecteur ATLAS Toroïde supraconducteur 44 m Calorimètre électromagnétique Chambres à muons Calorimètre hadronique
Choix de conception d ATLAS Calorimètre hermétique et précis, bonne reconstruction de l énergie transverse manquante et des jets. Spectromètre à muons indépendant (résolution 2.1 GeV pour H en 4 muons, mh=130 GeV) (10%/ E 200 400 MeV/E 1%) Bonne capacité de mesure et d identification des photons et électrons
Structure de base d un détecteur
Pixels (détecteur interne)
SCT (détecteur interne)
TRT (détecteur interne)
Solénoïde
Calorimétrie
Calorimètres Electromagnétiques à Argon liquide Calorimètre à échantillonnage Plomb Inox/Argon liquide Électrodes pliées en accordéon Baignant dans de l argon liquide Signal par effet capacitif Signal après CR RC2 E 3 couches de cuivre isolées Intervalle absorbeur/électrode d épaisseur contrôlée Espaceurs: Isolant en nid d abeille épaisseur Calibrée
Calorimètre Hadronique à Tuiles scintillantes Calorimètre à échantillonnage Fer/Scintillateur Tuiles: Plaques de scintillateur Fibres optiques WLS groupées en torons Segmentations en δη = 0,1 et en 3 couches en R Module Segmentation en δϕ = 0,1 ~ 10000 voies de lecture avec redondance et une grande dynamique (16 bits) avec électronique frontale dans des Tiroirs amovibles Photomultiplicateur Fibre WLS Tiroirs η < 1.7 Tuile Étendu A EBA LB EBC Double lecture Central Matrice en Fer R Hadrons et Muons Z Module (64 Modules/Tonneau) (> 7λ actifs à η=0) Étendu B 3 Tonneaux
Installation des calorimètres
Chambres à muons
Chambres à muons
A quoi ressemble une interaction? Volume de données gigantesque : 3 Gb/s (1015 b/an) Développement de grilles de calcul
Physique dans ATLAS en 2007 Hypothèse : Lint entre 0.1 et 1 fb 1 dans 1er run, selon circonstances du démarrage Processus Events / fb 1 W eν Z ee 107 106 t t b b H m=130 GeV g g m= 1 TeV Stat totale collectée avant 2007 104 LEP / 107 Tevatron 107 LEP 105 1011 1012 104 103 104 Tevatron 109 Belle/BaBar?? Très grande statistique pour les processus SM connus : Utilisation pour calibration, alignement Mesure de bruits de fonds standards Mise en place des différents niveaux de déclenchement Préparation des tests du Modèle Standard Test rapide de certains nouveaux scénarios (SUSY)
Quelques exemples Calibration en ligne Utilisation de Z e+e pour étalonner le calorimètre électromagnétique Précision de 0.5% sur ~400 régions de 0.2 par 0.2 avec ~0.1 fb 1 Sans coupures L ~ 35 pb 1 Avec coupures: ET>15 GeV, η <2.5 σg~2.2 GeV
Quelques exemples Supersymétrie Gluinos/squarks : m=1 TeV, 200 evt/jour Signatures claires et évidentes (Pt miss, multi leptons ) Découvertes (ou non découvertes ) rapides, si le détecteur est bien maîtrisé dès le départ Maîtrise des bruits de fond cruciale : simulation des fonds QCD 2.3 TeV 2 TeV 1.5 TeV
Le top après un an ATLAS 10 fb 1 Utilisation de W jj pour étalonner l énergie des jets légers Reconstruction de t jjb : Mjjb à ± 35 GeV Reconstruction de t lνb en utilisant la contrainte sur MW Mesure de Mt à 1 GeV près avec un an de données (cf 2 GeV au Tevatron avec 2 fb 1)
Recherche du Higgs standard électrons 3 ans à basse lumi Première année consacrée à la compréhension des bruits de fond photons énergie manquante b tagging
Les premières données d ATLAS
Rendez vous en 2007