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La physique des particules, Où est passée l’anti-matière?
Guy WormserLaboratoire de l’Accélérateur Linéaire d’ OrsayIN2P3/CNRS and Université Paris Sud
La physique des particules et les astroparticules
Les enjeuxCompréhension de l ’infiniment petitCompréhension de l ’infiniment grand
Les grands mystères d ’aujourd’huiLa démarche et les outilsTout sur l’anti-matière!Conclusion
La compréhension de l ’infiniment petit
Antiquité!1911
1968
1850
Dans les classes de lycée,…
Dans les lycées français, la seule décoration officielle est la bonne vieille table de Mendéléiev (1868)
Le programme de physique ne mentionne presque pas le monde subatomique
Plutôt étrange dans un pays où 80% de l’énergie provient de l’énergie nucléaire
Il y a vingt ans, la mécanique relativiste figurait au programme…
En résumé, la physique enseignée à la population générale française s’arrête vers en gros vers 1900.
Glané lors d’une exposition photo à Naples sur l’Afghanistan! (Mars 2005)
Les quarks et les leptons
Quarks : « Legos » élementaires de la matièreTout assemblage de trois quarks ou d’une
paire « quark-antiquark » correspond à une particule existant dans la nature (stable ou instable)
Leptons : particules élémentaires (ie sans structure interne et ponctuelles) qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte
Le ciment de l ’Univers
Les quatre forces fondamentales Gravitation, Interaction forte, électromagnétique, faible
Les messagers de ces forces Graviton, gluon, photon, W/Z0
L ’unification de ces forces
Les 4 interactions (ou forces) fondamentales
Ces particules élémentaires sont soumis à 4 forces fondamentales (de la plus faible à la plus forte)La gravitation (attraction proportionnelle à la
masse)L’interaction faible (désintégrations
radioactives)La force électromagnétique (électricité,
magnétisme)L’interaction forte (cohésion des noyaux)
Les « vecteurs » des forces
Chaque interaction est véhiculée par une particule spéciale, vecteur de la force en question:Gravitation : graviton Interaction faible: W,ZElectromagnétisme: photon (la lumière!) Interaction forte : gluon
C’est l’échange permanent de gluons entre les quarks à l’intérieur d’un proton qui donne au proton sa cohésion
L’unification des forces faibles et électromagnétiques
Diffusion eletron-proton->electron
(electromagnétique)
Diffusion electron-proton-> neutrino(force faible)
L’antimatière
A chaque particule, correspond une antiparticule aux propriétés (quasi) identiques. La charge électrique d’une antiparticule est l’opposé de la particule correspondante.
Lorsqu’une particule rencontre une antiparticule, elles s’annihilent et libèrent de l’énergie. Cette énergie donne souvent lieu à la création de plusieurs particules nouvelles.
Une antiparticule est en quelque sorte l’image de sa particule dans un miroir.
L’univers au moment de sa création contenait autant de particules que d’antiparticules. L’univers qui nous entoure n’est formé maintenant que de particules
Les antiparticules sont formées dans les collisions entre particules dans le cosmos, dans les étoiles, ou auprès d’accélérateurs
Historique de l’antimatière
1928: l’équation de DIRAC régit le mouvement d’un électron relativiste en mécanique quantique (Paul DIRAC, 1902-1984, Prix Nobel 1933, l’un
des pères de la Mécanique Quantique) 1931 : Dirac s’aperçoit qu’il existe une deuxième
solution à son équation : une particule de charge positive et d’énergie négative….
1932 D. Anderson découvre l’anti-électron, le positron (ou positon)
Le fonctionnement du soleil
Les 4 forces fondamentales et les 4 particules de la première famille sont indispensables au fonctionnement du soleil Formation et allumage de l’étoile causée par la
gravitation Réactions de fusion nucléaire dans le soleil avec
l’interaction faible et forteProduction de lumière par
électromagnétisme
Les réactions de fusion nucléaire dans le soleil
p+p->Deutérium+ e+ +neutrino
Le Modèle Standard
Superbe construction théorique, la plus complexe réalisée à ce jour Basé sur deux théories de jauge SU(2)xU(1) pour la force électro-faible
et SU3 pour la force forte Possède un pouvoir prédictif très fort. Testé au LEP au pour mille près
dans certaines prédictions clé! Ne peut pas être la solution définitive: forces faible et forte non unifiées,
trop de paramètres libres, problèmes théoriques sérieux Quelle est la bonne théorie qui l ’englobe? Trois secteurs clés:
Le boson de Higgs La violation de CP la recherche de nouvelles particules
La démarche et les outilsComment étudier l ’infiniment petit
le principe de la sonde Petite distance GrandePetite distance Grande énergie énergie
Annihilation et création
La démarche scientifique Une question fondamentale reliée à une quantité observable par une prédiction théorique Un projet de détecteur (et un accélérateur) : simulation très détaillée et R&D Construction de l ’appareillage Prise de données Analyse, publications . Durée du cycle : environ 15 ans !
Qu ’observe-t-on?
faisceaux
protons, muons, neutrinos,etc
cible
détecteur
1
2
Cible fixe
Faisceaux en collision
proton
electron
detecteur
protonpositron
antiproton
Gargamelle avec un faiceau de neutrinos
La démarche de reconstruction
Prenez dix plaques de chocolat Coupez chaque plaque en deux morceaux
comme vous voulez Prenez chaque morceau et pesez le.
Regardez la distribution des poids obtenue Prenez deux morceaux au hasard et pesez les
ensemble. Regardez la distribution des poids obtenue
Prenez trois morceaux au hasard et pesez les ensemble. Regardez la distribution des poids obtenue
Les distributions
Il existe un objet « plaque de chocolat » qui a été coupé en deux morceaux et dont le poids est de 100 grammes
Poids total
Pro
babi
lité
1 morceau
3 morceaux
Deux morceaux
Les accélérateurs
Machines nécessaires à l ’exploration du monde subatomique linéairescollisionneursou même cosmiques!
Méthodes d’accélération
1_ Champ électrostatique
gain d ’énergie : W=n.e(V2-V1)
limitation : Vgénérateur = Vi
2_ Champ radio-fréquence
Synchronisme L=vT/2
v=vitesse de la particule
T= période RF
L’aventure scientifique continue!!
Cette affiche explique l’ensemble de la matière connue dans l’Univers Mais cette matière ne représente que 5% du contenu de l’Univers!!!!!
25% de matière noire 70% d’énergie noire
L’affiche ne mentionne pas le boson de Higgs, particule hypothétique qui doit permettre de comprendre le mécanisme de brisure de la symétrie entre les forces faible et électromagnétique
Pourquoi et comment l’antimatière a-t-elle disparu ? On a observé la violation de la symétrie entre matière et antimatière. Ces toutes petites différences sont nécessaires pour expliquer ce phénomène mais le niveau observé ne permet pas encore de comprendre le passage d’un état initial composé à part égales de matière et d’antimatière à l’Univers d’aujourd’hui.
Quelle est la structure exacte de l’espace-temps? Rendez-vous dans 10 ou 20 ans pour une nouvelle affiche qui ne
contredira pas celle d’aujourd’hui mais l’englobera dans une théorie plus complète!
Le boson de Higgs
Associée à la brisure spontanée de la symétrie électro-faible
Particule scalaire associée à un champ scalaire : remplit l’espace de facon homogene et isotrope: ralentit la propagation des particules en interagissant avec elle: il leur donne une masse
Ceci relie le boson de Higgs à la gravitation et à la constante cosmologique (énergie du vide)
Les succès du modèle standard
Décrit très précisement les interactions des constituants et des vecteurs de force, ainsi que des vecteurs de force entre eux Rôle fondamental du LEP
Prédit les propriétés du boson de Higgs et en particulier sa masse
Il y a OBLIGATOIREMENT un boson de Higgs (ou quelque chose qui joue ce rôle) dans le domaine d’energie du LHC !
Les failles du modèle standard
Pourquoi exactement trois familles de particules de matière avec une telle différence entre les familles ? L’asymétrie matière –antimatière telle qu’observée
actuellement ne peut exister qu’avec au minimum trois familles de quarks!
Unification des forces forte et électro-faible Unification avec la gravitation Brisure de la symétrie électro-faible (Trop) Nombreux paramètres Réglages beaucoup trop fins Masse non nulle des neutrinos
Le LHC va très probablement fournir les éléments clé de l’au-delà du Modèle Standard
Les grands mystères
La masse des particules : Le boson de Higgs Le nombre de familles et la disparition de
l ’antimatière de l ’Univers:violation de CP Pourquoi le modèle standard est-il à la fois
‘ bancal ’ sur le plan théorique et si précis??? Qu ’y a t il au delà du Modèle Standard?
Quelle est l ’histoire et la géométrie de l ’Univers? Existe-t-il d ’autres dimensions?
La compréhension de l ’infiniment grand
Remonter l ’histoire de l ’Univers! Le Big Bang La synthèse des noyaux Les rayons cosmiques
La matière noire?? Les nouveaux messagers !
(photons et protons de très haute énergie, neutrinos, ondes gravitationnelles)
Où est passée l’anti-matière
Au début du big bang, autant de matière que d’antimatière
Pour 1 milliard de quark et 1 milliard d’antiquark, 1 quark subsiste !
Cette asymétrie fondamentale entre matière et anti-matière est l’un des grands mystères d’aujourd’hui!
Pour le comprendre, on fabrique en laboratoire des milliards de particules de matière et d’antimatière et on compare leurs propriétés
La violation de la symétrie « CP »
Découverte « fortuitement » en 1964 , quelques années après la découverte de la violation de la symétrie « parité »
Explorée systématiquement depuis 1998 dans le système des mésons B
Le grand paradoxe du modèle standard: Incapable d’expliquer l’asymétrie baryon-
antybaryon de l’UniversExplique parfaitement l’asymétrie B-antiB
observée jusqu’à présent!!!!
L’asymétrie matière antimatière et le Modèle Standard
Les propriétés fines de la matière ne sont pas les mêmes que celles de l’antimatière
Le Modèle Standard de la Physique peut parfaitement en rendre compte UNIQUEMENT s’il existe au moins TROIS familles de quarks et de leptons
A quoi set l’antimatière ? En Physique des particules
Pour fabriquer des collisionneurs les plus efficaces! : e+e- ou proton-anti-proton
A contraindre les lois fondamentales : propriétés du proton vs anti-proton, etc…
MasseSpectroscopie atome hydrogène vs atome antihydrogèneGravitation !
Dans la société Exemple du TEP
A rencontrer un martien!
A quoi ne sert pas l’antimatière
TransportBombes…
electronselectrons positronspositrons
43
Antimatter production in a Antimatter production in a laboratorylaboratory
Electron beam
rays electron-positronpairs
metal plate
metal plate
44
45
LAL klystron hall
46
accelerator wave guide
47
1962
AdA at LAL
48
A glass of water contains about 30 trillion trillion electrons
49
Dealing with electrons one by one!
Commemorative plate at the LAL entrance
50
From AdA to LEP,From AdA to LEP, from circular colliders to linear collidersfrom circular colliders to linear colliders
credit J.-E. Augustin and K. Yokova
ILC
DCI
ACO
51
DANE
L’asymétrie matière-antimatière résoud le problème!
Conclusion
La physique des particules est l’exploration de l’infiniment petit : particules élémentaires et interactions fondamentales
L’univers n’est composé que de matière : un des plus grands mystères actuels
Les paradoxes du modèle standard Les propriétés fines de la matière ne sont pas
les mêmes que celles de l’antimatière! Les familles et nous!
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