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