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

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A glass of water contains about 30 trillion trillion electrons

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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!