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Dominique Boutigny
RAP 2010
Identifier les composants ultimes de la matière
Comprendre les mécanismes qui permettent aux constituants de la matière d’interagir
Formuler et comprendre les lois fondamentales qui régissent notre univers
Photo: Point de Vue - http://hors-champ.blogspot.com
Comprendre comment la complexité a pu émerger à partir des briques de base
Lien avec la cosmologie
électron e muon tau
neutrino e neutrino neutrino
Famille des leptons
up charm top
down strange bottom
Famille des quarks
Un proton
Force Médiateur
électromagnétisme Photon
faible W+, W-, Z
forte gluons (8)
gravitation graviton (?)
Les médiateurs des forces
e
e
Plus l’énergie de la particule incidente est grande, plus elle va sonder des échelles minuscules
Proton
Particule incidente
Toutefois l’image du faisceau de particules qui casse la matière en constituants plus petits est assez trompeuse
Les grands collisionneurs de particules sont plutôt des convertisseurs de matière en énergie et d’énergie en matière
Collision conversion de la matière en énergie ( E = mc2)
Re-matérialisation de l’énergie en de multiples particules
Le LHC est construit dans un tunnel de 27 km de circonférence installé à 100 m sous terre au CERN près de Genève
Deux faisceaux de protons tournant en sens inverse
Collisions dans 4 zones d’expériences
Énergie prévue: 14 TeV
14 TeV: soit 7 fois l’énergie de l’accélérateur américain de Fermilab en cours d’exploitation
LHC = Large Hadron Collider
Coût de la machine: ~3 milliards d’€
L’image selon laquelle le LHC recrée un mini Big Bang est fausse (heureusement !)
Le LHC recrée des conditions d’énergie qui ont existé peu de temps après le Big Bang, le LHC permet donc de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au tout début de l’univers
LHC et Big Bang
Schéma: © CERN
Plus l’énergie est élevée plus on se rapproche du Big Bang
Pour réaliser ces collisions, l’énergie stockée dans les faisceaux est énorme : 2 TGV qui fonçent l’un vers l’autre !
L’énergie disponible lors d’une collision est donc équivalente à celle de 14 moustiques en vol !
Suffisamment pour faire fondre 500 kg de cuivre
1 TeV = l’énergie d’un moustique en vol !
C’est la concentration de cette énergie dans un volume minuscule qui est grande
Ceci nécessite quelques précautions !
Chaque aimant est alimenté par un courant de 10 000 Ampères
Le LHC est entièrement supraconducteur – Il fonctionne à la température de l’Hélium superfluide: 1.9 K
Ce qui nécessite aussi quelques précautions !
En raison d’une mauvaise connexion entre deux aimants, un arc électrique perce l’enceinte d’Hélium et créé un stress mécanique majeur
Il faut réaliser la complexité de l’appareillage: 9300 aimants supraconducteurs et des dizaines de milliers de connexions
Après 1 an d’intense travail, le LHC est réparé
Remise en service fin 2009 mais énergie limitée à 7 TeV
Programme: montée progressive en
intensité 2 ans de physique à 7 TeV Arrêt d’un an pour finaliser
les modifications sur la machine
Fonctionnement à 14 TeV
Premières collisions à 7 TeV enregistrée le 30 mars 2010… mais à intensité réduite
ATLAS
ATLAS
CMS
LHCb
Comme tous les collisionneurs à protons, le LHC est une machine de découverte, faite pour explorer des domaines d’énergie totalement nouveauxPlusieurs arguments de physique laissent penser que des phénomènes nouveaux doivent se manifester aux énergies du LHC
La masseComment les particules élémentaires acquièrent-elles une masse ?
L’asymétrie entre la matière et l’antimatière:Pourquoi l’antimatière est-elle apparemment absente de l’univers ?
Le problème de la matière noire et de l’énergie noire:La matière ordinaire ne représente que 4% de la densité d’énergie de l’univers – De quoi sont constitués les 96% restants ?
Pourquoi la force de gravitation est-elle si faible ?Un petit aimant qui attire un trombone est plus fort que la Terre entière !
Illustration CERN d’après une idée de David J. Miller, Physics and Astronomy, University College London.
L’assemblée d’astronomes amateurs …
… représente le champ de Higgs
Une astronome célèbre rentre… c’est notre particule
… tout le monde se presse autour d’elle et elle a du mal à fendre la foule
Le champ de Higgs (les astronomes amateurs) se comporte comme un fluide visqueux
Une fois arrêtée l’astronome célèbre a du mal à se remettre en mouvement
Elle acquiert une inertie ≡ masse
Le champ de Higgs est présent partout dans le vide
Le boson de Higgs est comme une rumeur …
… « Betelgeuse vient d’exploser … »
La rumeur se propage de proche en proche, entrainant l’apparition de groupes d’astronomes amateurs commentant la nouvelle …
La rumeur se comporte comme une particule acquérant une masse dans le champ de Higgs, c’est l’analogue du boson de Higgs
Le boson de Higgs est une excitation du champ de Higgs
L’énergie du LHC devrait être suffisante pour observer cette excitation
Simulation d’une collision engendrant la production d’un boson de Higgs
Il y a d’autres signatures possiblesCelle-ci est l’une des plus « simple » à reconnaître
Il faut tout de même en trouver plusieurs de ce type au milieu de millions de collisions
La gravitation est difficilement compatible avec la mécanique quantique qui marche pourtant très bien avec les autres forces
Idée: La gravitation « verrait » des dimensions supplémentaires au-delà des 3 dans lesquelles nous évoluons
L’unification de la gravitation avec les autres forces nécessite des espaces à 10 ou 11 dimensions
Théorie des cordes par exemple
La funambule ne perçoit qu’une seule dimension le long de la corde
La puce peut se déplacer dans deux dimensions
L’une des dimensions est spatialement peu étendue et repliée
Nous ne percevons que 3 dimensions spatiales – la gravitation (la puce) est sensible aux autres
Des effets dus aux dimensions supplémentaires pourraient être perçus au LHC
Production d’un graviton qui se propage dans une dimension supplémentaire
On observerait un déficit d’énergie dans le détecteur
Production d’un micro trou noir qui s’évapore instantanément
D’autres signatures existent
Ces découvertes pourraient être faites peu de temps après le démarrage du LHC
La physique des particules utilise beaucoup la notion de symétrieLes lois de conservation sont toujours liées à des symétries sous-jacentes
Conservation de l’énergieInvariance temporelle de
la physique
Monde des fermionsSpin ½ entierLes particules de matière standards sont des fermionsélectrons – quarks –neutrinos …
Mondes des bosonsSpin entierLes particules qui transportent les forces sont des bosons(photons – gluons …)
SUSY
A chaque fermion est associé un boson et à chaque boson est associé un fermion
Partenaires supersymétriques
Les particules supersymétriques se désintègrent en donnant d’autres particules supersymétriques
sauf la plus légère qui est stable
Elle possède une masse mais n’interagit pas avec la matière ordinaire
© ESA / NASA
Cette particule est un excellent candidat pour expliquer la matière noire dans l’univers
Cette théorie est très élégante et permet de résoudre quelques « petits » problèmes du modèle standard de la physique des particules
SUSY prédit l’existence d’autres bosons de Higgs que le LHC pourrait détecter
L’énergie noire qui domine l’évolution de l’univers est probablement liée à la structure du vide quantique
Cosmologie Physique des particules
Le vide est rempli par le champ de Higgs qui donne sa masse aux particules
La tentation est grande de lier les deux
« Petit » problème: L’énergie du vide de la physique des particules est 10120 fois trop grande pour expliquer l’énergie noire !Il faut donc que « quelque chose » compense pour donner juste la bonne valeur à l’énergie noire
C’est probablement l’un des plus grand problème de la physique actuelle et le LHC pourrait fournir quelques indices
?
Le LHC est une machine extrêmement complexe faisant intervenir de très nombreux éléments actifs. La montée en intensité va être prudente et progressive…
Le LHC va fonctionner à la moitié de l’énergie nominale pendant 2 ans qui seront suivis par un an de travaux d’amélioration
Il y a très peu de chance que le Higgs soit découvert avant 5 ans !
Par contre d’autres découvertes peuvent être faites si dame Nature est généreuse
La physique des particules modernes est une école de patience
Le LHC représente également une aventure humaine exceptionnelle
Site grand public du LHC au CERN : http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html
Le guide du LHC : http://cdsweb.cern.ch/record/1164451/files/CERN-Brochure-2009-003-Fre.pdf
Visualiser l’état de fonctionnement du LHC en direct : http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1
Le CERN sur Twitter : http://twitter.com/CERN
Le site web du satellite Planck avec des explications en français sur la cosmologie : http://public.planck.fr/
Un article de Richard Taillet sur la matière noire : http://wwwlapp.in2p3.fr/~taillet/dossier_matiere_noire/matiere_noire.php
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