CEPULB - 9 décembre 2008C. Vander Velde 1 LE LHC, le nouvel accélérateur du CERN. Quelles...

CEPULB - 9 décembre 2008

C. Vander Velde 1

LE LHC,

le nouvel accélérateur du CERN.Quelles réponses nous apportera-t-il?

1ère partie

C. Vander Velde 2CEPULB - 9 décembre 2008

Contenu

1ère partie: Introduction : Le LHC Le Modèle Standard

de la physique des particules:

les particules élémentaires

les forces fondamentales

L’évolution de l’univers

2ème partie Que cherchera-t-on au

LHC ? L’expérience CMS La contribution belge La grille de calcul

(GRID) Où en est-on?


Le grand collisionneur de hadrons, le LHC

100 mprotonsprotons

7 TeV7 TeV

1 TeV = 1 téraélectronvolt 1 TeV = 1 x 1012 eV

LHC = Large Hadron Collider

Hadron : protons ou ions de plomb

7 X l’énergie du Tevatron (USA)Energie de l’univers 10-10s après le bigbang

vp = 99,9999991 % c c=300.000 km/s


Schéma du LHC

27 km100 m


Le site du LHC

100 m27 km 27 km

CERN

LémanJura

aéroport

LHC


Le tunnel du LHC

8,3 tesla

10-13 atm

32.000 l d’helium liquide/heure

Les protons seront accélérés (7 TeV) par des champs électriques puissants

et guidés le long de la circonférence de 27 km par des milliers d’aimants supraconducteurs.

protons :

~11.000 tours de 27 km par seconde

120 tonnes d’ Helium-271,3° C (1,9 K)

Le plus grand frigo du monde!

système cryogénique


Les détecteurs au LHCDétecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches

spécifiques


ATLAS

Immeuble de 5 étages

~6.000 T

Les détecteurs au LHCCMS

~12.500 T

15 m


Le LHC : pourquoi ? Comprendre les lois de la nature Physique des particules élémentaires :

Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires?

Quelles sont les forces qui les font s’assembler ?

Cosmologie : Etude de la structure et de l’évolution de

l’Univers


Les particules élémentaires

philosophes grecs : Anaximène et Thalès

(VIème et Vème av. J.C.): eau, air, feu (,terre).

Leucippe et Démocrite (Vème et IVème av. J.C.):

(atomes)


noyau

électrons

neutrons

protons

atome


u

d

d

quarks

u u

d

quarks


Ordre de grandeur des dimensions


Atome(grossi mille milliards

de fois )

A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm

Ordre de grandeur des dimensions


Les particules élémentaires La découverte de l’électron (Thomson – 1897):

qe = - 1,602 10-19 C (charge négative)me ~ mH / 2000

L’électron est une toute petite partie de l’atome!


Les particules élémentaires Les expériences modernes :

détecteur

particulesaccélérées

Les quarks sont liés à l’intérieur de particules, non élémentaires, appelées hadrons.

Les protons et les neutrons sont des hadrons


Les particules élémentaires Principe des expériences de diffusion :

angle de déviation

pas de déviationCible diffuse :

Cible ponctuelle :

faible

angle de déviation important

On peut tirer des conclusions sur la structure interne des particules cibles en étudiant la distribution des angles de déviation.


Les particules élémentaires La structure du proton

pe-

e-

e-

e-

p

années 50-60 :

en 1970, à plus haute énergie (20 Gev) :

Le proton a une certaine étendue dans l’espace 10-15 m

Dans le proton, il y

a des grains durs,

les quarks!


Les particules élémentaires Les constituants élémentaires de la matière

stable sont les électrons, les quarks up et les quarks down

42 He-

-

+

+0

0

Exemple : noyau d’hélium

http://cpep.lal.in2p3.fr/


Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute

matière connue, stable et instable :

Les quarks Les leptons



Les antiparticules :

1932 découverte de l’antimatière, prédite par la théorie (Dirac) :

le positron.

A chaque particule est associée une antiparticule :

p p = antiproton

n n = antineutron

e- e- = e+ = positon ou positron

même masse, même temps de vie,

charges opposées.

e-

e+

charge -

charge 0


Force électromagnétiqueForce gravitationnelle

Force forte ou de couleur Force faible

Les interactions fondamentales

.... .

.atome

noyau n p + e- + e

d u + e- + e

1

10-2

10-5

10-40


Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange:

Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ».

© David Calvet


Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange:

Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ».

La portée de l’interaction diminue lorsquela masse de la particule échangée augmente.

© David Calvet http://www.cerimes.education.fr/


Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique :

rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons; le photon est le médiateur des interactions é.m..



rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m..

Exemple:

portée infinieγm = 0 γq = 0

+ -+-p pe + e+

http://www.cerimes.education.fr/



rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons ; le photon est le médiateur des interactions é.m..

Exemple:

L’électrodynamique quantique est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!!

+ -+-p pe + e+

+e +e

-e

γ échange d’un photon

-e

p+ p+

diagramme deFeynman


Les interactions fondamentales La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam):

Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon

+

Interactions faibles, médiateurs: bosons Z0, W+ et W-

lourds!

Exemple 1:

2

Zm = 91 Gev/c 2Wm = 80 Gev/c

μν -μ

pn

-W

-μν + n μ + p

échange d’un boson W-

“courant chargé”

+ d(du) - + u(du)

interaction à courte portée


Les interactions fondamentales La théorie électrofaible:Exemple 2:

Etapes importantes:• courants neutres observés - CERN - 1973• bosons Z0, W+ et W- observés - CERN - 1983

Unification de 2 des forces!

μνμν

e-e-

0Z échange d’un boson Z°“courant neutre”

+ e- + e-

IIHE (ULB-VUB)


La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8.

La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ».

Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte.

Les interactions fondamentales

http://www.cerimes.education.fr/


Le Modèle Standard (SM)Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev)

I II III

matièrefamilière

matièreinstable


L’évolution de l’univers L’univers est en expansion:

Hubble (1929): les galaxies se fuient

L’univers gonfle comme s’il était le résultat d’une gigantesque explosion : le big-bang.

L ’énergie diminue, c’est-à-dire que l’univers se refroidit.

Distance (Mpc)

Vit

ess

e(k

ilom

ètr

es

par

seco

nde)


L’évolution de l’univers Etape 1 : l’inflation

t0: moment du big-bang : énergie infinie en un point

inflation : l’univers augmente de 1030 en 10-35 s t0 +10-12 s: 1000 GeV

μν

-μ

g

+μ0Z

0Z c

c

+W+μ-W

g

0Z

-e

+e

0Z

-Wg

0Z

+W eν

+e

Légère asymétrie – matière antimatière : 1,000000001q qN N

?

Créations par paires énergie e+ + e-

énergie q + q

Annihilations:e+ + e- énergie q + q énergie

E = mc² , Einstein


L’évolution de l’univers Etape 2 : baryogénèse

t0 +10-10 s: 100 GeV

Il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks en excès,

les plus légers, up et down, les autres s’étant désintégrés. t0 +10-4 s: 1 GeV

Ils s’assemblent sous l’effet de la force de couleur pour former des protons et des neutrons ( ce sont des baryons).

Univers : protons, neutrons, électrons,

neutrinos et radiation.


L’évolution de l’univers Etape 3 : nucléosynthèse

t0 +100s: 100 eV 1 milliard de degrés

Les premiers noyaux d’He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7 se forment :

t0 +30 minutes:

Univers : noyaux légers, électrons,


p p d e v

p d t e v

4d t He n d

t

He4

n

d

p e+

t

p

p

p

n e+


L’évolution de l’univers Etape 4 : formation des atomes

t0 +700.000 ans: 3000 degrés

Les atomes les plus simples se forment sous l’effet de

la force é.m. : H1 et He4 avec des traces de H2, He3 et de Li7

Univers : atomes légers,


e- e-


L’évolution de l’univers Etape 4 : formation de la matière

puis, plus tard: formation des agglomérats de matière sous l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….amas, ...planètes, ….la vie!

t0 + 13,7 milliards d’années : aujourd’hui


Pour en savoir plus : Le CERN et notamment le LHC pour le public :

http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html Physique des particules :

http://cpep.lal.in2p3.fr/adventure.html Univers des particules,

Michel Crozon – Le Seuil (1999) Une brève histoire du temps,

Stephen Hawking – Flammarion (2008)

Merci à tous mes collègues, de Bruxelles et de la collaboration CMS ainsi qu’aux auteurs des divers sites, à qui j’ai pu emprunter un matériel abondant pour cette présentation.

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