La physique des particules

Le Large Hadron Collider (CERN)

Plan de l’exposé

• Qu’est­ce que la physique des particules ?• Son histoire en quelques mots• Le Modèle Standard• Le LHC• L’expérience ATLAS

Sous­tendant l’ensemble de l’exposé, la réponse à deuxquestions 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 :   atomeélectron/nucléonquarks

Historique simplifié

• 1898 : Découverte de l’électron par J.J. Thomson : la première particule

• 1909 : Expérience de Rutherford.

Source

Feuille d’orObservation

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

• 1932­1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion.• 1946­1950 : 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 non­abéliennes (Yang­Mills) 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

• 1960­1970 : 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)

• 1990­2000 : 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 électro­faible

• On peut permuter électrons et neutrinos, proton et neutron sans changer le comportement de l’interactionintroduction 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 duModèle Standard

• Quid de la gravitation ?

• Pourquoi trois familles ?

• Où est le boson de Higgs ?

• Y­a­t’il quelque chose au­delà du Modèle Standard

• Pourquoi le Modèle Standard a­t­il 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

20

Où est le Higgs ?Y­a­t’il de la nouvelle physique ?

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=1.24×10­15/P­ P=10 keV/c λ=0.1 nm structure de l’atome

­ P=1 GeV/c λ=1 fmstructure du noyau

­ P=100 GeV/c  λ=0.01 fmstructure du nucléon

• Pour pouvoir créer des particules lourdes, donc très instables

Pourquoi une forte luminosité ?

• Très faible probabilité des processus intéressants

LHC : Grande luminosité (1033­1034 cm­2s­1)

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 p­p 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 au­delà 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 grandeursur 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

• Porte­avions 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 aimantsEn cours d’installation

Premières collisions fin 2007

Le détecteur ATLAS

44 m

Chambresà muons

Toroïde supraconducteur

CalorimètrehadroniqueCalorimètre

électromagnétique

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⊕200­400 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

E

Calorimètre à échantillonnage Plomb­Inox/Argon liquide

  ­ Électrodes pliées en accordéon

  ­ Baignant dans de l’argon liquide

3 couches de cuivre isolées

Signal par effet capacitif

Intervalle absorbeur/électrode d’épaisseur contrôlée

   ← Espaceurs: Isolant en nid d’abeille épaisseur Calibrée

Signal après CR­RC2

Tuile

Photomultiplicateur

Fibre WLS

Matrice en Fer

ZR

Hadrons et Muons

Calorimètre Hadronique à Tuiles scintillantesCalorimètre 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

Doublelecture

Module(64 Modules/Tonneau)

 (> 7λ actifs à η=0)  3 Tonneaux

Central

Étendu A

Étendu B

LBEBA

EBC

|∆η| < 1.7Tiroirs

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 2007Hypothèse : Lint entre 0.1 et 1 fb­1 dans 1er run, selon circonstances du démarrage

   Processus          Events /  fb­1      Stat totale collectée avant 2007

   W→ eν                        107                                 104 LEP / 107 Tevatron   Z→ ee                 106                        107  LEP                                   105                                104  Tevatron  

                                 1011 – 1012                   109 Belle/BaBar   ? 

g g

t t

bb

H  m=130 GeV              104                                   ? 

 m= 1 TeV               103                                  ­­­ 

•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 en­ligne

•Utilisation de Ze+e­pour étalonner lecalorimètreélectromagnétique

•Précision de 0.5% sur ~400 régions de0.2 par 0.2 avec~0.1 fb­1

Sans coupures

L ~ 35 pb­1 σG~2.2 GeV

Avec coupures:ET>15 GeV, |η|<2.5

Quelques exemples…Supersymétrie

Gluinos/squarks : m=1 TeV, 200 evt/jour

→1.5 TeV

→2 TeV

→2.3 TeV

•Signatures claires etévidentes (Pt miss,multi­leptons…)•Découvertes(ou non­découvertes…)rapides, si le détecteur estbien maîtrisé dès ledépart Maîtrise des bruitsde fond cruciale :simulation des fonds QCD

Utilisation de Wjj pour étalonner l’énergie des jets légers

 Reconstruction de tjjb : Mjjb à ± 35 GeV

 Reconstruction de tlνb 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 fb­1)

ATLAS 10 fb­1

Le top après un an

électrons

photons

énergie manquante

b­tagging

Recherche du Higgs standard

•3 ans à basse lumi•Première annéeconsacrée à lacompréhensiondes bruits defond

Les premières données d’ATLAS…

Rendez­vous en 2007…