La physique des particules et le Large Hadron Collider du CERN

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Text of La physique des particules et le Large Hadron Collider du CERN

  • Laphysiquedesparticules

    LeLargeHadronCollider(CERN)

  • Plandelexpos

    Questcequelaphysiquedesparticules? Sonhistoireenquelquesmots LeModleStandard LeLHC LexprienceATLAS

    Soustendantlensembledelexpos,larponsedeuxquestionslmentairesetlgitimes:Cestpourquoifaire?Combienacote?

  • Laphysiquedesparticules

    Etudeetdescriptiondesconstituantslmentairesdelamatireetdeleursinteractions

    Lanotion dlmentaire avoluaucoursdutemps: atomelectron/nuclonquarks

  • Historiquesimplifi

    1898:DcouvertedellectronparJ.J.Thomson:lapremireparticule

    1909:ExpriencedeRutherford.

    Source

    FeuilledorObservation

  • Historiquesimplifi 1919:Dcouverteduproton(E.Rutherford)

    1921:Ralisationdufaitquelexistencedunoyauatomiqueestlielinteractionforte

    1923:DcouvertedeleffetCompton(leslectronsetlesphotonspeuventinteragir,lesphotonssontdesparticules)

  • Historiquesimplifi 1930:Prdictiondelexistenceduneutrino(danslesdsintgrations

    ) 1931:Dcouvertedupositron(C.D.Anderson)avecunechambre

    brouillard

  • Historiquesimplifi

    1930:Premieracclrateurdeparticules,cyclotrondE.O.Lawrence(80keV,puis1MeVen1932(28cm),etenfin20MeVen1939(150cm)

  • Historiquesimplifi

    19321940:Dcouvertesduneutron,dumuonetdupion. 19461950:Formulationdelathoriequantiquedellectromagntisme(QED) 1951:Dcouvertedesparticules tranges 1953:Dcouverteduneutrinolectronique(ReinesetCowan)

    1954:Inventiondesthoriesdejaugenonabliennes(YangMills)Thoriedelinteractionforte(QCD)

    1956:Dcouvertedelaviolationdelaparit(Wu) 1962:Miseenvidencedelexistencedeneutrinoslectroniquesetmuoniques

    ilexisteplusieurs familles departiculesauxpropritscomparables

  • Historiquesimplifi

    19601970:Dcouvertedecentainesdeparticules,rinterprtesplustardcommedesassemblagesdequarks

    1964:DcouvertedelaviolationdeCP

    1967:Unificationdesforceslectromagntiquesetfaible(Glashow,Salam,Weinberg)lesdbutsduModleStandard

    1974:Dcouvertedunnouveauquark(c:rsonanceJ/Psi)

    1976:Dcouvertedelarsonance(quarkb),etdunenouvellefamilledequarks.

  • Historiquesimplifi

    1976:Dcouvertedulepton(troisimefamilledeleptons),quivientsajouterllectronetaumuondjconnus.

    1983:DcouverteduWetduZauCERN(prixNobelRubbia/VanderMeer)

    19902000:TestsintensifsduModleStandardauCERN,avecleLEP(e+e)

    1989:PremiresdiscussionssurlaconstructionduLHC 1995:Dcouvertedusiximequark(t)Fermilab 2007:PremiresprisesdedonnesavecleLHC

  • LeModleStandard

    Dcrirelemondeavecaussipeudingrdientsquepossible Prendreencomptelessymtriesdecomportementobservesentre

    diverstypesdeparticules Descriptiondesinteractionsentermedchangedeparticules. Descriptionunifiedellectromagntismeetdelaforcefaibleainsi

    quedelaforceforte,pasdelagravitation

  • Lesparticuleslmentaires

    Electromagntisme

    Forceforte

    Forcefaible

  • Lunificationlectrofaible

    Onpeutpermuterlectronsetneutrinos,protonetneutronsanschangerlecomportementdelinteractionintroductiondelisospinfaible

    Ilfautquatrequantaspourdcrirelesinteractionsentrelesparticulesdundoubletdisospin:deuxneutres(photonetZ,deuxcharges:W+,W)

    Invarianceparrotationdespin:groupedesymtrieSU2 Invarianceparrotationvectorielle:U1 Combinaisondesdeux:SU(2)U(1)

  • Loriginedelamasse

    Onsaitdcrirelesinteractionsentreparticulesdemassenulle.

    Exprimentalement,ellesenontune,enparticulierlesWetZ!Brisurespontanedesymtrie

    Analogieavecleferromagntisme:

  • Loriginedelamasse

    Ahautenergie,symtriecylindrique

    Abassenergie,brisuredesymtrie,dueauchampdeHiggs

  • Verslagrandeunification?

    Evolutiondesconstantesdecouplage

  • QuestionsouvertesduModleStandard

    Quiddelagravitation?

    Pourquoitroisfamilles?

    OestlebosondeHiggs?

    YatilquelquechoseaudelduModleStandard

    PourquoileModleStandardatilbeaucoupdeparamtres?

  • LestestsduModleStandard

    BeaucoupdentreeuxontteffectusparleLEP,danslesannes19902000

    Ilyabientroisfamillesdeneutrinoslgers!

  • TestsactuelsduModleStandard

  • 20

    OestleHiggs?Yatildelanouvellephysique?

  • Pourquoimonterennergie?

    Historiquement,l'explorationdenouveauxdomainesd'nergieasouventmendenouvellesdcouvertes.

    Pouravoiraccsdeschellesdelongueurdeplusenpluspetites:

    =1.241015/P P=10keV/c=0.1nmstructuredelatome

    P=1GeV/c=1fmstructuredunoyau

    P=100GeV/c =0.01fmstructuredunuclon

    Pourpouvoircrerdesparticuleslourdes,donctrsinstables

  • Pourquoiuneforteluminosit?

    Trsfaibleprobabilitdesprocessusintressants

    LHC:Grandeluminosit(10331034cm2s1)

    totinel=70mb

    Croisementsdefaisceauxtoutesles25ns

    Dtecteursetlectroniquersistanteaux

    radiations.

  • Commentmonterennergie?

    Puissanceperdueparlesparticulesparrayonnementsynchrotron:W(E/m)^41/r

    E=nergiedufaisceau

    M=massedelaparticuleacclre

    R=rayondelacclrateur

    Augmentationdelapuissanceacclratrice:Ilfaut16foisplusdepuissancepourdoublerl'nergiedesfaisceaux!

    Changerlamassedesparticulesacclres:utiliserdesprotonsaulieud'lectrons(mp/me=2000)1013foismoinsd'nergieperduepardesprotonsquepardeslectrons!

  • Collisionsppvse+e Leslectronssontdesparticuleslmentaires(ponctuelles,sansstructure

    interne) calculsthoriquesrelativementsimplesetprcis

    Etatinitialparfaitementconnu

    Interactionsrelativementsimplescomprendre

    Lesprotonsontunestructureinterneencoreimparfaitementcomprise Calculsthoriquesdlicats

    Etatinitialinconnu(qq,qg,gg)?

  • QuevafaireleLHC?

    Comprendreloriginedelamassedesparticulesetlemcanismedebrisuredesymtrielectrofaibleassoci:recherchedubosondeHiggsettudedesesproprits

    RecherchedephysiqueaudelduModleStandard:Supersymtrie,autresscnariosplusexotiques

    Mesuresdeprcision,testsduModleStandard:masseduquarktopetdubosonW,QCD,violationdelasymtrieCP

  • Quatreexpriencesprincipales:ATLAS,CMS(gnralistes)ALICE(physiquedesionslourds,tudeduQGP)LHCB:violationdeCP

  • QuelquesordresdegrandeursurleLHC

    Energiecintiqueparfaisceau:350MJ(TGVde500tonnes300km/h:1750MJ)

    Energiemagntiquestockedanslesaimants:8600MJ(7MJ/aimant,I=11850A)

    Puissancemiseparrayonnementsynchrotron:3.8kW

    Puissancederefroidissementcryognique:240MW

  • Combienacote?

    LHC:2Geuros

    PorteavionsCharlesdeGaulle:3Geuros

    Campusuniversitaireneuf:200Meuros

    Expriences:310Meuroschacune(ATLAS/CMS)

    Cotduneexprienceparchercheur:100keuros(1000publicationsattenduessur10ans)

  • 1232aimantsEncoursdinstallation

    Premirescollisionsfin2007

  • LedtecteurATLAS

    44m

    Chambresmuons

    Torodesupraconducteur

    CalorimtrehadroniqueCalorimtre

    lectromagntique

  • ChoixdeconceptiondATLAS

    Calorimtrehermtiqueetprcis,bonnereconstructiondelnergietransversemanquanteetdesjets.

    Spectromtremuonsindpendant(rsolution2.1GeVpourHen4muons,mH=130GeV)

    (10%/E200400MeV/E1%) Bonnecapacitdemesureetdidentificationdesphotonsetlectrons

  • Structuredebasedundtecteur

  • Pixels(dtecteurinterne)

  • SCT(dtecteurinterne)

  • TRT(dtecteurinterne)

  • Solnode

  • Calorimtrie

  • CalorimtresElectromagntiquesArgonliquide

    E

    CalorimtrechantillonnagePlombInox/Argonliquide

    lectrodespliesenaccordonBaignantdansdelargonliquide

    3couchesdecuivreisoles

    Signalpareffetcapacitif

    Intervalleabsorbeur/lectrodedpaisseurcontrle

    Espaceurs:IsolantenniddabeillepaisseurCalibre

    SignalaprsCRRC2

  • Tuile

    Photomultiplicateur

    FibreWLS

    MatriceenFer

    ZR

    HadronsetMuons

    CalorimtreHadroniqueTuilesscintillantesCalorimtrechantillonnageFer/ScintillateurTuiles:PlaquesdescintillateurFibresoptiquesWLSgroupesentorons

    Segmentationsen=0,1eten3couchesenRModuleSegmentationen=0,1

    ~10000voiesdelectureavecredondanceetunegrandedynamique(16bits)

    aveclectroniquefrontaledansdesTiroirsamovibles

    Doublelecture

    Module(64Modules/Tonneau)

    (>7actifs=0) 3Tonneaux

    Central

    tenduA

    tenduB

    LBEBA

    EBC

    ||

  • Installationdescalorimtres

  • Chambresmuons

  • Chambresmuons

  • Aquoiressembleuneinteraction?

    Volumededonnesgigantesque:3Gb/s(1015b/an)Dveloppementdegrillesdecalcul

  • PhysiquedansATLASen2007Hypothse:Lintentre0.1et1fb

    1dans1errun,seloncirconstancesdudmarrage

    ProcessusEvents/fb1Stattotalecollecteavant2007

    We107104LEP/107TevatronZee106107LEP105104Tevatron10111012109Belle/BaBar?

    g g

    t t

    bb

    Hm=130GeV104?m=1TeV103

    TrsgrandestatistiquepourlesprocessusSMconnus:Utilisationpourcalibration,alignementMesuredebruitsdefondsstandardsMiseenplacedesdiffrentsniveauxdedclenchementPrparationdestestsduModleStandardTestrapidedecertainsnouveauxscnarios(SUSY)

  • QuelquesexemplesCalibrationenligne

    UtilisationdeZe+epourtalonnerlecalorimtrelectromagntique

    Prcisionde0.5%sur~400rgionsde0.2par0.2avec~0.1fb1

    Sanscoupures

    L~35pb1 G~2.2GeV

    Aveccoupures:ET>15GeV,||

  • QuelquesexemplesSupersymtrie

    Gluinos/squarks:m=1TeV,200evt/jour

    1.5TeV

    2TeV

    2.3TeVSignaturesclairesetvidentes(Ptmiss,multileptons)Dcouvertes(ounondcouvertes)rapides,siledtecteurestbienmatrisdsledpartMatrisedesbruitsdefondcruciale:simulationdesfondsQCD

  • UtilisationdeWjjpourtalonnerlnergiedesjetslgers

    Reconstructiondetjjb:Mjjb35GeV

    ReconstructiondetlbenutilisantlacontraintesurMW

    MesuredeMt1GeVprsavecunandedonnes(cf2GeVau

    Tevatronavec