la physique des particules - lpthe · 2006. 2. 1. · m=masse de la particule accélérée r=rayon...
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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…