Conférence sur le Large Hadron Collider (LHC) 20 octobre 2010 - Synchrotron Soleil - Nicolas Arnaud ()
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Conférence sur le Large Hadron Collider (LHC) 20 octobre 2010 – Synchrotron Soleil Nicolas Arnaud (narnaud@lal.in2p3.fr) ( @ p ) Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (CNRS/IN2P3)
Sommaire Introduction : une (très) brève histoire de la physique des particules La théorie actuelle : le Modèle Standard Accélérateurs et collisionneurs Détecteurs L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) Le Grand Collisionneur à Hadrons – Large Hadron Collider Collider, LHC La revue de vulgarisation Élémentaire Le projet Passeport pour les deux infinis 2
Une (très) brève histoire des particules L’atome est un concept vieux de 2500 ans ! Les philosophes cherchent à expliquer la Nature (« Physis » en Grec) Anaxagore g : « Il y a quelque q q chose de chaque q chose dans toutes les choses » Atomisme : Démocrite, Épicure, Lucrèce « Atoma » signifie g « indivisible » en g grec Les atomes sont petits, élémentaires et pleins Les atomes se déplacent, s’assemblent et se séparent dans le vide, infini Il y a différents types d’atomes d atomes – les plus légers forment ll’âme âme ! Les atomes sont éternels et peuvent à l’infini former de nouvelles structures Vision du monde opposée au Christianisme ; elle tombe dans l’oubli XVIIème – XVIIIème siècle : les premiers chimistes Boyle : Une théorie scientifique valable est basée sur l’expérience Lavoisier L i i : lesl molécules lé l contiennent ti t plus l d’un d’ élément élé t chimique hi i Gay-Lussac : 2 H + O H2O ; les éléments chimiques sont à la base de la matière Dalton : chaque élément chimique est fait d’un type d’atome unique
Une (très) brève histoire des particules 1869, Mendeleiev : la classification périodique des éléments Uniquement q basée sur l’expérience p Confirmation des décennies après Cases laissées vides, remplies p plus p tard… comme prévu par Mendeleiev ! Mendelevium (101ème élément, 1957) Radioactivité : émission spontanée p de radiation ((= d’énergie) g ) Röngten (1895) Becquerel (1896) Pierre et Marie Curie Découverte des Découverte de la découvrent le polonium rayons X radioactivité naturelle et le radium (1898)
Une (très) brève histoire des particules 1897, J.J. Thomson : découverte de l’électron – appelé « rayon cathodique » 1905, A. Einstein : « Annus Mirabilis » Relativité restreinte E = mc2 Effet photo-électrique Le photon est le quantum d’énergie pour les ondes électromagnétiques Théorie du mouvement brownien Modèle Standard Prouve l’existence des molécules E. Rutherford 1909 : découverte du noyau 1918 : découverte du proton ~ 10 000 ffois i plus l petit i baptisé b i é en l’honneur l’h de d W. W Prout P que l’atome [1815 : matome mH atome] 6
Une (très) brève histoire des particules 1932, J. Chadwick : découverte du neutron « Manqué » par F. et I. Joliot-Curie Rayons cosmiques : un vivier de nouvelles particules ~90% p protons,, ~9% He,, ~1% électrons… 1932, C. Anderson : découverte du positron 1ère particule dd’antimatière antimatière Prédite par le théoricien P.A.M. Dirac en 1928 Positron 1936, 1936 C. C Anderson : découverte du muon Plaque Même charge que l’électron de plomb Masse intermédiaire entre électron et proton Champ magnétique I. Rabi, Prix Nobel 7 de Physique 1944
Le zoo des particules Après la fin de la seconde guerre mondiale, de nouvelles particules sont découvertes par dizaines dans les rayons cosmiques puis les accélérateurs Comment mettre de l’ordre dans ce bestiaire ? 8
Les quarks En fait, la plupart de ces nouvelles particules sont composés de 2 ou 3 quarks Exemples : les protons et les neutrons L’interaction forte lie les q quarks dans ces particules, appelées hadrons Il nn’y y a que 6 types (ou « saveurs ») de quarks La situation redevient simple ! LL’existence existence des quarks est proposée au milieu des années 1960 Celle des 2 (+1) premiers quarks est confirmée expérimentalement à la fin de la décennie au Stanford Linear Accelerator Center 9 SLAC (Californie)
Une (très) brève histoire des particules 1974 : Découverte simultanée du 4ème quark dans deux laboratoires américains « Révolution de novembre » 1977 : Découverte du 5ème q quark 1995 : Découverte du 6ème quark à Fermilab il b 2000 : L’observation du neutrino-tau conclut la recherche des particules de matière (ou fermions, 12 au total) prédites par la théorie. 10
Le Modèle Standard de la physique des particules 11
Le Modèle Standard 12 particules élémentaires http://quarks.lal.in2p3.fr/afficheComposants/index.html 3 leptons chargés 6 quarks 3 neutrinos 3 familles la 1ère matière antimatière 3 forces interaction forte interaction faible électromagnétisme gravité i é négligeable é li bl bosons médiateurs 2 piliers Mécanique quantique (infiniment petit) Petites distances hautes énergies Relativité restreinte (hautes énergies)
De très (trop ?) nombreux succès Le Modèle Standard a été bâti dans les années 1960-1970 en rassemblant plusieurs théories dont les paramètres libres ont été ajustés pour « coller » à l’expérience L’accord entre le Modèle Standard et les mesures est excellent Aucune expérience p ne l’a vraiment mis en défaut depuis p pplus de 3 décennies ! Exemple : la matrice « CKM » C K M Exemple : le « moment magnétique anormal » du muon 13
Le boson de Higgs Seule particule du Modèle Standard à ne pas (encore !?) avoir été découverte Sa masse est un paramètre libre Particule cruciale p pour la théorie : Joue un rôle dans l’unification électrofaible « Donne leur masse » aux autres particules élémentaires La chasse est ouverte depuis plus d’une décennie Objectif principal du LHC L L’étau étau se ressère (LEP + Tevatron) Boson de Higgs Tevatron LHC Matière (Conquête du M dèl Standard) Modèle St d d) 14
Au-delà du Modèle Standard Limites du Modèle Standard N’explique pas certains phénomènes : Les masses des neutrinos La matière noire L’asymétrie matière-antimatière N’est p pas valide à très haute énergie g Ignore la gravitation Il doit exister une « nouvelle p physique y q » décrite p par une théorie plus p fondamentale Problèmes : où la chercher ? A quelle énergie ? Le Modèle Standard ne montre p pas de signe g de faiblesse ! Deux types d’expériences « à découverte » : LHC,, Tevatron « de précision » : LEP, BaBar/SuperB, MEG, NA62, etc. Faute d’indice probant, toutes les pistes sont explorées ! Il faut tester les propositions des théoriciens Particules, interactions ou … dimensions supplémentaires 15
Accélérateurs & Collisionneurs 16
Les accélérateurs de particules Plus on veut sonder la matière aux petites échelles, plus il faut d’énergie Exemple des ondes électromagnétiques : énergie 1 / (longueur d’onde) La plupart des particules sont instables elles n’existent pas dans la Nature Il faut les produire artificiellement En grande quantité pour obtenir des mesures de qualité Les accélérer pour leur donner l’énergie souhaitée Les L amener/créer / é au cœur des d détecteurs dé construits i spécialement é i l pour les l étudier é di Moyens : la force électromagnétique F q Ev B Uniquement des la relativié restreinte particules chargées E mc 2
Les accélérateurs de particules On accélère les particules à On les pilote avec des l’aide d’un champ électrique champs magnétiques Les particules « surfent » sur des ondes électromagnétiques Les oscilloscopes et les tubes TV cathodiques sont des accélérateurs ! Tube d'oscilloscope 1 : électrodes déviant le faisceau 2 : canon à électrons 3 : faisceaux d'électrons 4 : bobine pour faire converger le faisceau 18 5 : face intérieur de l'écran recouverte de phosphore
Où prend-on les particules ? Production des particules Electrons (LEP) arrachés d’un filament métallique chauffé Positrons ((antimatière !)) Effet photoélectrique par collision d’électrons sur une plaque métallique Protons (LHC) un proton (charge +) on utilise des atomes d’hydrogène un électron (charge ) un très fort champ électrique brise la cohésion des atomes CERN les particules de charges opposées se séparent on récupère les protons, injectés dans l’accélérateur Les particules ainsi produites sont « mises en forme » avant d’être accélérées fortement Assez de protons pour des années de fonctionnement du LHC ! 19 19
Les accélérateurs linéaires Principe des premiers accélérateurs linéaires 1956 Dans les cavités séparant deux électrodes les particules sont Temps toujours repoussées par la précédente et attirées par la suivante. Aujourd’hui : les particules surfent sur une onde d électromagnétique él éi 20
Les accélérateurs circulaires Premier accélérateur circulaire : le cyclotron de Lawrence en 1931 Champ magnétique constant Zone avec champ électrique Accélération La trajectoire j est une spirale p Aujourd Aujourd’hui hui : le champ magnétique suit ll’accélération accélération Trajectoires quasi-circulaires L L’anneau anneau du LHC (utilisée auparavant par le LEP) fait ~ 27 km de circonférence Problème P blè : lesl particules i l n’aiment ’ i pas tourner en rondd Elles perdent de l’énergie à chaque virage pour les accélérateurs de particules Présence de zones rectilignes de « réaccélération » pour SOLEIL qui utilise la lumière synchrotron ainsi produite 21 C’est une autre histoire …
Les collisionneurs Accélération dans des sections droites Collisionneur ~ 2,2 km de Collisions de faisceaux dans des anneaux circulaires circonférence Taille de la machine « réduite » San Francisco à 50 km Particules produisent des collisions à chaque tour Les collisions « frontales » p permettent d’utiliser au mieux l’énergie disponible Les particules sont organisées en paquets très denses SLAC Elles sont très petites On veut être sûr d’avoir des collisions à chaque croisement Les p particules sont pproduites en série Les particules circulent dans un tube à vide pour minimiser les collisions parasites avec les molécules d’air résiduelles Les particules sont (ultra)-relativistes : vptc ~ vlumière (300 000 km/s) Précision d’horlogerie au-milieu d’une grosse machine Taille de la zone de collision : ~ cm (plutôt moins) Taille de l’accélérateur : ~ km (plutôt plus) 22
Détecteurs 23
Des collisions dans les détecteurs Collision de particules accélérées « Grain » d’énergie Nouvelles particules Accélérate r Accélérateur E = mc2 Détecte r Détecteur On étudie les propriétés des particules produites pendant les collisions et on compare les résultats obtenus aux prédictions théoriques 24
Un détecteur en physique des particules Structure en poupée russe Chaque couche a une fonction précise Trajectographe(s) Sui(ven)t les particules chargées Calorimètre(s) C l i èt ( ) Mesure(nt) les énergies des particules Détecteurs de muons Fort champ magnétique Dépôt d’énergie signal électrique Conversion analogique > 106 canaux d’électronique Sélection des événements i té intéressants t en temps t réel é l 25 Schémas adaptés du détecteur CMS (LHC)
L’analyse des données Schéma suivi par une analyse typique : Utilisation intensive d’ordinateurs pour accéder/utiliser les données enregistrées au CERN simuler le comportement du détecteur lors du passage des particules étudiées Mise en œuvre de méthodes mathématiques sophistiquées pour obtenir les résultats les plus précis possibles et tester leur validité 26 La « maturation » d’un résultat peut prendre une année voire plus
L’organisation européenne pour la recherche nucléaire : le CERN 27
Le CERN Nom officiel : « Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire » Plus grand laboratoire de physique des particules au monde : France Genève ~ 3000 employés p y à plein p tempsp ~ 6500 scientifiques y réalisent leurs expériences Suisse Créé le 29 septembre 1954 Vingt états membres Pays y fondateurs + pays « observateurs » ou « participants » Pays devenus membres ensuite Le L CERN est situéi é près è dde Genève, G è à cheval sur la frontière franco-suisse Internet a été inventé au CERN au début des années 1990 ! 28
Le Grand Collisionneur à hadrons Large Hadron Collider (LHC) 29
Le LHC Anneau quasi-circulaire de ~27 km de circonférence creusé à ~100 m sous terre 2 faisceaux de protons (ou d’ions Pb selon les périodes ) y circulent en sens opposé France Genève Ils se croisent au centre de 4 détecteurs g géants ((ALICE,, ATLAS,, CMS,, LHCb)) où se produisent les collisions dont les produits sont étudiés par les physiciens Les particules sont accélérées par tout une série dd’accélérateurs accélérateurs en amont ; la dernière phase de ce processus a lieu dans l’anneau LHC lui-même Jura 30
Le LHC en quelques chiffres Consommation d’électricité : ~ 400 GWh/an (5% de la consommation de la SNCF) Les particules accomplissent 11 000 tours / seconde à la vitesse de la lumière La pression dans le tube à vide est 10 fois inférieure à celle sur la Lune Les aimants sont au nombre de 9 300 environ ; ils sont refroidis à -271,3C Plus froid que l’espace intersidéral ! En fonctionnement nominal (pas encore atteint) : Les L particules i l se croiseront i ~ 40 millions illi d fois de f i par seconded dans d l les détecteurs et chaque interaction produira ~ 20 collisions proton-proton Il y aura ~ 300 000 000 000 000 de protons en même temps dans le LHC L’énergie stockée dans le faisceau équivaudra à celle de 80 kg de TNT aimants 240 kg 31 L’énergie des collisions sera de 14 TeV (7 TeV actuellement)
Petit résumé du fonctionnement du LHC Film “Bottle to Bang” produit et dirigé par Chris Mann (© CERN, 2008) http://cdsweb.cern.ch/record/1125472 France Suisse 32
Un petit tour du côté des détecteurs Des cathédrales de métal et d’électronique ! Dimensions de plusieurs dizaines de mètres Poids de plusieurs milliers de tonnes ( Tour Eiffel) Genève Des millions de canaux électroniques q recoivent des informations lors des collisions Taille des détecteurs ATLAS et CMS Les particules déposent de l’énergie en traversant Suisse les différents détecteurs ; ces dépôts sont convertis en signaux électriques puis lus Surfaces/volumes actifs, câbles, alimentations, etc. Volume total de données : ~ plusieurs Encyclopédia Universialis / seconde Impossible de tout conserver Tri en temps réel des événements : drastique et très performant Données stockées et analysées au moyen de milliers d’ordinateurs répartis dans des centaines de centres de calcul du monde entier Chaque collaboration du LHC compte plusieurs milliers de membres 33
Pourquoi construire le LHC ? Coût accélérateur + détecteurs : ~7 milliards d’euros Partagé par de nombreux états sur une longue période Budget annuel du CERN : ~700 millions d’euros Genève Moins de 2 euros par an et par européen Curiosité envers la Nature, recherche, progrès scientifique Le propre de l’espèce humaine Suisse Tant qu’on n’a pas découvert un nouveau phénomène phénomène, on ne peut pas imaginer à quoi il pourrait servir ! Exemples : le laser, internet, etc. Le Modèle Standard marche très (trop) bien mais il y a des phénomènes qu’il ne peut pas expliquer Une pparticule pprédite manque q à l’appel pp : le boson de Higgs gg ! Le Modèle Standard ignore complètement la gravité et n’est pas valable à toute énergie. Beaucoup de ses caractéristiques (masses, etc.) n’ont pas d’explication. Avec le LHC on décuple presque la gamme d’énergie accessible expérimentalement
Le LHC est-il dangereux ? Non ! Impact environnemental très faible Radioactivité émise ~ quelques pourcents de la radioactivité naturelle Les « micro-trous i noirs i » quii pourraient i éventuellement ll être produits d i au LHC n’engloutiront pas la Terre Production de trous noirs basée sur des hypothèses théoriques très hardies et qui n’ont encore reçu aucune confirmation expérimentale La Nature produit depuis la nuit des temps des collisions plus énergétiques que celles du LHC ((exemple q p : rayons y cosmiques) q ) et nous sommes toujours j là ! Pour plus d’information, voir le site http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Welcome-fr.html p p p 35
Le LHC ne s’est pas construit en un jour 1994 : Approbation du projet LHC par le CERN Démarrage de la R&D et des études de faisabilité dans les années 1980 1996-1998 : Approbation des 4 grandes expériences 2000 : arrêt de l’accélérateur p précédent ((le LEP)) Démantèlement (même tunnel !) et démarrage de la construction du LHC Fin 2007-début 2008 : fin de la construction après plusieurs retards 10 septembre 2008 : démarrage officiel du LHC Premier tour complet de protons dans l’anneau de 27 km 19 septembre 2008 : incident électrique au niveau d’une interconnexion entre 2 aimants 14 mois dd’arrêt arrêt 23 octobre 2009 : redémarrage Suivi d’une montée en puissance graduelle 30 mars 2010 : premières collisions à 7 TeV 36 Début de l’exploitation scientifique du LHC
2010 : début du programme de physique ! Salle de contrôle de l’accélérateur juste après la réussite des 1ères collisions à 7 TeV : Film « LHC First Phyics » (2010, © CERN video productions) http://cdsweb.cern.ch/record/1259221 37
Quelques belles photos du LHC Suisse 38
Le meilleur est à venir Objectif premier du LHC : répondre à la question, « Le boson de Higgs existe-t-il ? » Autres buts de physique : Chercher des signes de physique nouvelle au-delà du Modèle Standard Tester des théories plus générales, proposées pour complèter le Modèle Standard Découvrir la nature de la mystérieuse matière noire Améliorer notre connaissance des différences entre matière et antimatière Observer et étudier un nouvel état de la matière nucléaire,, le p plasma de quark-gluon, qui a dû exister juste après le Big-bang ??? Depuis la fin mars, le taux de collisions a augmenté de manière très significative : L L’objectif objectif est dd’accumuler accumuler dd’ici ici fin 2011 une quantité de données suffisante pour produire des résultats de physique compétitifs La prise de données est prévue jusqu’en 2030, avec des améliorations techniques régulières au cours des années (énergie, taux de collisions, etc.)
Au fait, que se passe-t-il au LHC actuellement ? Statut de l’accélérateur http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC1 http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC2 http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=LHC3 Informations en provenance de détecteurs http://atlas-live.cern.ch Suisse http://lhcb http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/Collaboration/LHCbStDis.html public.web.cern.ch/lhcb public/en/Collaboration/LHCbStDis.html 40
En résumé Le LHC est le projet le plus important de la physique des particules Il est attendu par l’ensemble de la communauté scientifique. Ses résultats (qu’ils soient positifs ou négatifs) auront une grande importance sur le futur de la discipline LHC = défi technologique et scientifique Suisse Le LHC est prévu pour durer au moins 1 génération vos élèves pourront y participer ! Science fondamentale De nombreuses applications Des métiers passionnants De l’aventure garantie !!! 41
Pour en savoir plus Des pages web de l’IN2P3-CNRS http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/informations/sites/sites.htm http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/questions/poser_une_question.htm http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/aulycee/tipe.htm L’affiche des composants élémentaires de la matière http://quarks.lal.in2p3.fr/afficheComposants/index.html La revue de vulgarisation « Élémentaire » http://elementaire.web.lal.in2p3.fr/ Zoom sur ces deux projets dans les pages suivantes i Le « Passeport pour les 2 Infinis » http://www.passeport2i.fr/ Exemplaires à disposition pour consultation Le site LHC-France http://www.lhc-france.fr/ Les Masterclasses du CERN 42 http://www.in2p3.fr/presse/communiques/2010/02_masterclasses.htm
La revue de vulgarisation Élémentaire 43
La revue Élémentaire Revue de vulgarisation (2003-2010) format A4, 64 pages, en couleur Cible : grand public avec une formation scientifique q niveau secondaire Fil rouge : le LHC De nombreux sujets abordés : Grandes questions scientifiques Articles théoriques Perspectives historiques Développements technologiques Retombées 8 numéros publiés 1 thème central pour chaque numéro 44 Tous disponibles sur le site de la revue
Le Projet Passeport pour les 2 infinis 45
Le passeport pour les 2 infinis Un livre réversible de 192 pages couleur (Dunod) Côté pile : vers l’infiniment petit Côté face : vers l’infiniment grand Courts articles (2 pages) Principales P i i l notionsti du d domaine d i Description des grandes expériences actuelles (Planck, LHC, etc.) Quelques fiches plus appliquées + un glossaire fourni pour conclure chaque partie Plus de cinquante contributeurs du CNRS, du CEA et de l’Université Comité de rédaction de sept chercheurs et ingénieurs Livre disponible gratuitement pour les enseignants du secondaire et du supérieur Site web : http://www.passeport2i.fr Fiches Fi h pédagogiques éd i él b é par des élaborées d professeurs f à partir i d’articles d’ i l du d livre li Rencontres avec des enseignants et le grand public DVD en projet 46 Forum, tutorat, salle virtuelle sur 2nd life, etc.
47
Backup 48
Mon Laboratoire : le LAL Situé sur le campus de l’Université Paris Sud XI entre Orsay et Bures sur Yvette Site web : http://www.lal.in2p3.fr/ Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire : LAL Nom historique : le grand accélérateur linéaire a cessé ses activités en 2004. Le LAL vient d'en construire un plus petit pour des expériences/tests Le LAL est une unité mixte de l’IN2P3/CNRS et de l’Université Paris Sud CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique 32 000 personnes, budget de 3,4 milliards d’€ IN2P3 : Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules Un des dix instituts du CNRS ; créé en 1971 Unité mixte : le LAL rassemble des chercheurs CNRS et des enseignants-chercheurs qui dépendent de l’Université Paris Sud et enseignent sur le campus
Expériences et métiers au LAL Domaines de recherche : physique des particules et cosmologie : ~120 chercheurs (70% / 30%) répartis en une douzaine de groupes ~220 ingénieurs et techniciens Budget annuel d’environ 20 millions d’€ Implication dans des expériences sur plusieurs continents : Europe, Etats-Unis, Argentine, Japon et même… dans l’espace Services techniques : informatique, électronique, mécanique, etc. Services administratifs : personnel, financier, missions, information scientifique, etc. Plateformes utilisées par dd’autres autres laboratoires : grille de calcul magasin, magasin etc. etc 50
L’autre Modèle Standard : la cosmologie Gravitation Relativité générale Big bang Décalage g vers le rouge g Abondance des éléments légers Rayonnement de fond cosmologique Questions ouvertes : Matière noire Energie noire 51
De ADA au LHC : quelques collisionneurs ADA : le premier collisionneur Anneau de Collision d’Orsay (ACO) Vers 1965 Frascati (1961) LAL (1962) Frascati (2007) SPEAR (SLAC) : 2 prix Nobel (J/ et ) A j Aujourd’hui d’h i Le LEP (CERN): 1989-2000 Le LHC 52
En résumé 53
L’énergie des collisions : 7/14 TeV Particules accélérées par une différence de potentiel unité commode : l’électron-volt (eV) Énergie gagnée par une particule de charge élémentaire dans une France différence de potentiel de 1 V En physique des particules on utilise des multiples de cette unité le kilo électron-volt : 1 keV = 1 000 eV ~ TV le méga électron-volt : 1 MeV = 1 000 000 eV le giga électron-volt : 1 GeV = 1 000 000 000 eV ~ LEP le téra électron-volt électron volt : 1 TeV = 1 000 000 000 000 eV ~ LHC 1 TeV énergie cinétique d’une… mouche en vol ! Quid Q id des d collisions lli i entre mouches h ? 54
55
Vous pouvez aussi lire