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?
C. Vander Velde 3CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 4CEPULB - 9 décembre 2008
Schéma du LHC
27 km100 m
C. Vander Velde 5CEPULB - 9 décembre 2008
Le site du LHC
100 m27 km 27 km
CERN
LémanJura
aéroport
LHC
C. Vander Velde 6CEPULB - 9 décembre 2008
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
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Les détecteurs au LHCDétecteur constitué de couches concentriques ayant des tâches
spécifiques
C. Vander Velde 8CEPULB - 9 décembre 2008
ATLAS
Immeuble de 5 étages
~6.000 T
Les détecteurs au LHCCMS
~12.500 T
15 m
C. Vander Velde 9CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 10CEPULB - 9 décembre 2008
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)
C. Vander Velde 11CEPULB - 9 décembre 2008
noyau
électrons
neutrons
protons
atome
Les particules élémentaires
u
d
d
quarks
u u
d
quarks
C. Vander Velde 12CEPULB - 9 décembre 2008
Ordre de grandeur des dimensions
C. Vander Velde 13CEPULB - 9 décembre 2008
Atome(grossi mille milliards
de fois )
A cette échelle, le noyau fait ~ 1 cm
Ordre de grandeur des dimensions
C. Vander Velde 14CEPULB - 9 décembre 2008
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!
C. Vander Velde 15CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 16CEPULB - 9 décembre 2008
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.
C. Vander Velde 17CEPULB - 9 décembre 2008
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!
C. Vander Velde 18CEPULB - 9 décembre 2008
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/
C. Vander Velde 19CEPULB - 9 décembre 2008
Les particules élémentaires Les consituants élémentaires de toute
matière connue, stable et instable :
Les quarks Les leptons
C. Vander Velde 20CEPULB - 9 décembre 2008
Les particules élémentaires
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
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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
C. Vander Velde 22CEPULB - 9 décembre 2008
Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange:
Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule « messagère ».
© David Calvet
C. Vander Velde 23CEPULB - 9 décembre 2008
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/
C. Vander Velde 24CEPULB - 9 décembre 2008
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..
C. Vander Velde 25CEPULB - 9 décembre 2008
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..
Exemple:
portée infinieγm = 0 γq = 0
+ -+-p pe + e+
http://www.cerimes.education.fr/
C. Vander Velde 26CEPULB - 9 décembre 2008
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..
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
C. Vander Velde 27CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 28CEPULB - 9 décembre 2008
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)
C. Vander Velde 29CEPULB - 9 décembre 2008
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/
C. Vander Velde 30CEPULB - 9 décembre 2008
Le Modèle Standard (SM)Le tableau périodique moderne (remplace celui de Mendeleïev)
I II III
matièrefamilière
matièreinstable
C. Vander Velde 31CEPULB - 9 décembre 2008
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)
C. Vander Velde 32CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 33CEPULB - 9 décembre 2008
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.
C. Vander Velde 34CEPULB - 9 décembre 2008
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,
neutrinos et radiation.
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+
C. Vander Velde 35CEPULB - 9 décembre 2008
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,
neutrinos et radiation.
e- e-
C. Vander Velde 36CEPULB - 9 décembre 2008
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
C. Vander Velde 37CEPULB - 9 décembre 2008
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.