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De quoi sommes-nous faits ?Les constituants élémentaires de notre matière à
l'heure du démarrage du Grand Collisionneur Hadronique (LHC) du CERN
Johann Collot
Laboratoire de Physique Subatomiqueet de Cosmologie de Grenoble
CNRS/IN2P3 - Université Joseph Fourier - Institut National Polytechnique de Grenoble
http://lpsc.in2p3.fr/collot [email protected]
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Ce dont nous sommes faits compose aussi l'Univers visible
La connaissance des composants élémentaires est l'une des clés de la compréhension de notre Univers.
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À quoi servent les accélérateurs de particules
● Ce sont les microscopes les plus puissants :
– microscope optique R = 0,2 µm
– microscope électronique R = 1 nm
– LHC R = 10-20 m = 10-11 nm (cent-milliardième de nanomètre)
● Ce sont des fabriques de particules lourdes et instables
– Les bosons W, Z, (1983) le quark top (1995).....
– le LHC : le boson de Higgs si celui-ci a une masse inférieure à 1000 fois celle d'un proton
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Il suffit de peu pour faire un monde !
● La musique : 7 notes et 2 altérations -classées sur des portées selon leurs fréquences -liées en accords
● L'Univers physique : 12 particules élémentaires et 4 interactions-classées dans des multiplets -systèmes liées (noyaux, atomes, molécules, cristaux, formations cosmiques ... )
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Les particules élémentaires et leurs interactions
électronQ= - |e| , isospin = -1/2
neutrinoQ = 0 isospin = 1/2
Boson W+ Q = |e| , isospin = 1
Boson W- Q = -|e|isospin = -1
Boson Z0 Q = 0 isospin = 0
photonQ= 0
photon , électron -> électron Interaction électromagnétiqueélectricité, magnétisme et optique
Boson W- , électron -> neutrino
Boson W+ , neutrino -> électron
Boson Z0 , neutrino -> neutrino , électron -> électron
Interaction faible radioactivité bêta, le Soleil ...
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Les composants élémentaires
électron
neutrino
quark up
quark down
Q = 0 isospin = 1/2
Q= - |e|isospin = -1/2
leptons
q= -1/3 |e| isospin =-1/2
Q = 2/3 |e|isospin = 1/2
quarks
muon
neutrino
quark charmé
quark étrange
tau
neutrino tau
quark top
quark beau
électronique muonique
Interaction forte de couleurInteraction électromagnétique
Interactionfaible
Gluons
Photon
bosons faibles
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La masse des particules élémentaires
L'espace contient un champ partoutprésent : le champ de Higgs
Une particule élémentaire y est immergée
Le champ de Higgs s'agglutine sur cetteparticule, créant ainsiune énergie en apparencede masse
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Le boson de Higgs
On excite le champ de Higgs
Une perturbation s'y propage , c'est le bosonde Higgs, qui disparaît quelques instants après
Nous savons aujourd'hui que le bosonde Higgs – s'il existe – a une massesupérieure à celle d'un atome d'antimoine.
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accélérateur de particules
Une charge électriquepositive accélèreen descendantun champélectriqueEcréé par une différencestatiqueou dynamiquede potentiels
+Une masseaccélèreen chutantdansun champdepesanteur
g1 eV = énergie acquise par une charge |e|qui descend une DDP de1 VLHC : 7 milliers de milliards d' eV par proton = 7 TeV
L'énergie stockée dans le LHC = énergie cinétiqued'un A380 à 250 km h-1
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AccélérateursUn satellite estmaintenu en orbitepar la forcegravitationnelleexercée parla terre
Une particule chargéeest maintenue sur l'orbite circulaire d'un synchrotronpar la force magnétiqueexercée par des électro-aimants
Pour garder un proton de 7 TeVsur une orbite de 8 km de rayonil faut un champ magnétique de8,4 T .
Le LHC fonctionnera avec 1232 aimantssupraconducteurs de 15m de long chacunrefroidis à la température de 1,8 K.
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Large Hadron Collider (Grand Collisionneur Hadronique)
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LHC : le Loup, la cHèvre et le Chou à ménager
11000 A de courant, soit 1 GJ d'énergie magnétique stockée dans lesdipoles
8 x 6 tonnes d'hélium superfluide à 1,8 K
720 MJ stockés sur les deux faisceaux de protons accélérés
Et si on n'y parvient pas ! Incidentdu 19 septembre 2008 .
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Détecter les particules instables● Technique du vase brisé : si un archéologue recueille
suffisamment de fragments d'un vase brisé, il peut reconstituer le modèle original.
● Si un physicien perspicace mesure suffisamment de produits de désintégration d'une particule très instable,il peut par un calcul simple reconstituer la particule d'origine.
● Au LHC, il peut y avoir plusieurs milliers de particules produites toutes les 25 ns, et un seul boson de Higgs toutes les 10 secondes ...
LHC : rechercher une aiguille brisée dans une meule de foin !
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ATLAS
Collaboration de 1800 physiciens (dont 400 étudiants) travaillant dans 150 universités et laboratoires répartis dans 35 pays du monde
http://atlas.ch
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Et tout le monde se met à chercher ...● ATLAS enregistrera 200 photos numériques de collisions
par seconde, de 2 MΘ chacune, soit 7 PΘ/an de données
● Logiciel d'ATLAS : 5 millions de lignes en language C++ !
● Traitement de ces données sera fait sur un mode de calcul distribué : la grille de calcul
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Premières collisionsDécembre 2009
collisions à 1,18 + 1,18 TeV
Record du monde !
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L'histoire de l'Univers et son contenuL'évolution et la structure de l'Univers dépendent de son contenu !
t = 380 000 ans
Des observations de l'évolution et de la structure de l'Univers, nous déduisons aujourd'hui que notrematière ordinaire (nous, les planètes, les étoiles,les galaxies ...) ne compose qu'environ 4 % denotre Univers. L'essentiel nous échappe ....
Est-ce aue le LHC pourra créer un peu de cette matière sombre ?
énergie sombre
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Suite et plus● LHC est en cours de redémarrage
● LHC fonctionnera à 3,5 + 3,5 TeV en 2010 et 2011
● Arrêt prévu en 2012 pour amélioration/réparation
● conférence EPS-HEP2011 à Grenoble : http://eps-hep2011.eu
● pour en savoir plus :
– http://www.lhc-france.fr
– cours doctoraux à partir du 11/05 pour physiciens non spécialistes (master de physique requis) : http://lpsc.in2p3.fr/collot inscription : http://physique-eea.ujf-grenoble.fr/DOCT/
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Spin Isotopique : Isospin
A=2 12H I=0
A=1 neutron Q= 0 proton Q = |e|
un même objet (nucléon) qui «tourne» sur lui-même dans un espace «abstrait» (espace de spin isotopique) avec deux possibilités de spin ( ½ et -½ ) isotopique - Proton I= ½ , Neutron I = -½
mproton
/ mneutron
= 0,9986 ≈ 1
A=3 13H 2
3He
mH13 / m H e2
3 ~1I= - ½ I= ½
A=4 14H 2
4He
mH14 : m
H e24 : m
H e24 = 1,006 : 1 : 1,005
I= -1 I= 1 34L
iI= 0
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Les particules élémentaires et leurs interactions
quark d (down) , q= -1/3 |e| , isospin =-1/2
quark u (up)Q = 2/3 |e| isospin = 1/2
Boson W+ Q = |e| , isospin = 1
Boson W- Q = -|e|isospin = -1
Boson Z0 Q = 0 isospin = 0
photonQ= 0
photon , quark u -> quark u ; quark d -> quark dInteraction électromagnétique
Boson W- , quark d -> quark u
Boson W+ , quark u -> quark d
Boson Z0 , quark u -> quark u ; quark d -> quark d
Interaction faible
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Les quarks et leurs couleurs
quark d (down) , bleu
quark d vert
quark u (up)Q = 2/3 |e| isospin = 1/2
quark u vert
gluon rouge et anti-vert (magenta)
gluon bleu et anti-vert (magenta)
3 couleurs quantiques : rouge, bleu , vert
quarks sont unicolores
gluons sont bicolores oublancs (somme de couleurs)
gluon rouge et anti-vert (magenta)
gluon rouge et anti-bleu (jaune)
gluon bleu et anti-vert (magenta)
gluon bleu et anti-rouge (cyan)
gluon vert et anti-bleu (jaune)
gluon vert et anti-rouge (cyan)
gluon blanc 1 gluon blanc 2
Interaction forte de couleur
22http://quarks.lal.in2p3.fr/afficheComposants
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Matière & Antimatière
Une chose et son opposé : le Yin et le Yang
La matérialisation de l'énergie pure a été une étape cruciale des premiers instants denotre Univers.
Photon Photon
particule
antiparticule (exemple : positon e+ )
La matière et l'antimatière auraient été créées en quantités égales au démarragede notre Univers, mais pour une raison que l'on ignore encore précisément, l'antimatière originelle semble avoir disparu quelques instants après
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Une autre façon de classerélectron neutrino
électroniqueantiquark down quark up
-|e| -2/3 |e| -1/3 |e| 0 1/3 |e| 2/3 |e| |e|
quark downantiquark up positon
muon neutrinomuonique
antiquark s quark cquark santiquark c antimuon
tau neutrinotau
antiquark b quark tquark bantiquark t antitau
La charge 1/3 |e| serait alors la vraie charge élémentaire !
La symétrie correspondrait à des rotations dans un espace à 10 dimensions !
Les forces électromagnétiques, faibles et fortes seraient alors toutes unies !
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La mécanique quantique●La nature ne peut tout connaître avec une infinie précision même lorsqu'il s'agit d'un système simple
●Se traduit par une vibration quantique d'autant plus rapide que le système est petit
●Flou sur les grandeurs mesurables qui décrivent le mouvement : sur la position et la vitesse
x p ≥ h /2 tE ≥ h /2
relations d'incertitude d'Heisenberg
h = 6,6310−34 J.s constante de Planck
●En d'autres termes : plus c'est petit et plus cela vibre ● Ou moins cela dure et plus nous disposons d'énergie
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Cela marche un peu comme une banque !
Gestion équilibrée => boucle bleue = - boucle rouge
Pertes sur placementDépenses de fonctionnement et d'investissement
Gains sur placement
Dépôts Retraits
Banque
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La supersymétrie : comment réguler l'économie quantique
Supersymétrie => boucle bleue = - boucle rouge
boucle de particules supersymétriquesboucle de particules normales
boîte quantique
Particulesincidentes
Particulessortantes
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rayon ~ 1 millionième de milliardième de m ( 1 fm)charge +e
Proton
● Un quark confiné dans un proton porte une énergie de vibration quantique égale à 20% de l'énergie de masse du proton (E = m
p c2)
Proton et Neutroncharge : 2/3 e
charge : -1/3 e
● Pour un proton ou un neutron (3 quarks), l'énergie quantique de vibration vaut alors 60% de sa masse. Sa masse (son énergie de masse) est essentiellement d'origine quantique.
● Les noyaux atomiques étant constitués de protons et de neutrons
● La masse des noyaux atomiques est donc essentiellement d'origine quantique . Elle représente plus de 99,9% de la masse des atomes, c'est-à-dire de la matière connue aujourd'hui.
rayon ~ 1 millionième de milliardième de m charge nulle
neutron
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Le proton
UP UP
DOWN
calculsurordinateur
oeuvre d'artde CatherineChariot-Dayez
La structure d'un proton estplus complexe que celle d'une étoile
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Le neutron
UP DOWN
DOWN
électron
antineutrino électronique
W-
UPUP UP
DOWNn -> p + e- + antineutrino électronique
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La nature quantique des interactionsNewton : «Que la gravité soit infuse, inhérente et essentielle à la matière, de telle façon qu'un corps agisse à distance sur un autre à travers le vide , sans intervention d'un facteur qui acheminerait les forces et leur action d'un corps à l'autre, tout cela me paraît d'une telle absurdité qu'à mon sens, aucun homme capable de réfléchir en philosophe ne pourra s'y laisser prendre .»
e- e-
p+ p+
échange d'unphoton
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La nature quantique des interactionsUn électron émet en permanence et au hasard des grains de lumière (des photons)qui lui reviennent
électron
proton
un proton en fait autantIl y a interaction entre le proton et l'électron si un photon émit au hasard par l'un est capturé par l'autre
photon
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LHC suiteCavité accélératrice : génère de façon dynamique la DDP d'accélération des protons
Aimant double supraconducteurde déflexion du LHC (bobinesupraconductrice en Nb-Ti)
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ATLAS
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Les particules supersymétriques
Chaque particule élémentaire actuelle aurait un partenaire supersymétrique mais de masse beaucoup plus grande, donc jamais observée jusqu'ici sur un accélérateur Si l'une de ces particules supersymétriques était neutre, stable, et si elle interagissaittrès faiblement avec la matière ordinaire, elle pourrait alors constituer la matière sombre manquante de notre Univers (25% de sa densité)
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Un boson de Higgs simulé dans ATLAS
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Un mini trou noir vu dans ATLAS