Les enjeux du LHC et d'Auger - C. Collard & D. Monnier-Ragaigne
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Les enjeux du LHC et d’Auger
C. Collard & D. Monnier-Ragaigne
1ère partie : Les enjeux du LHC
par Caroline Collard
2ème partie : Les enjeux d’Auger
par Delphine Monnier-Ragaigne
2
Les enjeux du LHC
Caroline Collard
Univers et origines – 18 mars 2009 - Orsay (LAL)
Plan
La physique des particules et son modèle standard :
• Où on en est ?
• Les possibilités pour aller au-delà de ce modèle
Le LHC, le grand collisionneur de hadrons du Cern et ses 4
expériences.
Un exemple en particulier : ATLAS
• Comment ca marche?
• Ce qu’on a vu?
• Ce qu’on s’attend voir…
• Ce qu’on fait en ce moment
Quelques mots pour finir…
4
En route vers l’inifiniment petit
5
Le monde de la physique des particules
• Particules :
• Leptons :
• électron e & son neutrino νe
• muon µ & son neutrino νµ
• τ & son neutrino ντ
• Quarks : u & d, c & s , t & b
• Forces :
• Électromagnétique photon γ
• Gravitation graviton?
• Forte gluons
• Faible (radioactivité) bosons Z,W
6
Le modèle standard
Théorie quantique relativiste des particules développée entre 1970 et 1973
Théorie des interactions (symétries : SU(3)×SU(2)×U(1))
[sauf la gravitation]
Mécanisme de Higgs introduit pour donner de la masse aux particules, basé
sur une brisure de symétrie spontanée
mais le boson de Higgs n’a pas encore été détecté!
7
Les grandes questions
– La question de la masse des particules : son origine et comment
expliquer des si grandes différences entre les particules ?
– La nature de la matière dans l’univers : qu’est-ce que la matière noire
(“visible” par les effets gravitationnels) ?
– A quoi ressemblait la matière dans les premiers instants de l'Univers ?
– L’absence d’antimatière dans notre univers : comment expliquer le
favoritisme de la nature ?
– Est-ce que les quarks et les leptons sont vraiment les constituants
fondamentaux ?
– Pourquoi y a-t-il exactement 3 familles de quarks et de leptons ?
– Comment la gravitation s’inscrit-elle dans cette compréhension ?
8
De l’Univers au Big Bang
Limite
expérimentale
9
Au delà du modèle standard
Dimensions
supplémentaires?
Figure from Scientific American
Supersymétrie?
Théorie de grande
unification? 1011
Le LHC (Large Hadron Collider)
Mont Blanc
Genève
CERN
Circonférence: 27 km
Profondeur : 50-175 m
12Le LHC en chiffres
- Un vide aussi poussé que celui de l’espace interplanétaire : l’atmosphère
dans le LHC sera 10 fois moins dense que sur la Lune.
- La température en exploitation : environ -271 degrés Celsius, (1,9 degré
seulement au dessus du zéro absolu) plus froid que l’espace intersidéral.
- La température lors d’une collision : plus d’un milliard de fois supérieures à
celles qui règnent au centre du Soleil un des points les plus chauds de la
galaxie!
- Le champ magnétique : 1232 dipôles supraconducteurs de 14.3 m qui
produisent un champ de 8.4 Tesla
- Azote : 12 millions de litres lors du refroidissement initial
- Hélium liquide et superfluide : 700,000 litres
- Câbles supraconducteurs : 7600 km de câbles (faits de filaments long
comme 10x la distance Terre-Soleil + quelques Terre-Lune)
137 1012 eV = 7 TeV Proton Energy
334MJ = 120 kg TNT Beam Energy
1034 cm-2 s-1 Luminosity
2835 Bunches/Beam
1011 (~100 billions) Protons/Bunch
Size of a bunch : several cm long
and several µm wide
every 25 ns (40 millions/s = 4 107 Hz)
(~ 25 collisions per crossing)
144 expériences au LHC
15Le ATLAS
Un exemple: LHC
La plus grande caverne artificielle !
Placée 90m sous terre, elle pourrait
contenir une cathédrale.
Diamètre : 25 m
Longueur : 46 m
Poids : 7500 tonnes
ATLAS :
Diameter : 25 m
ATLAS est haut comme un immeuble de 6 étages ! Il y a 11 étages de
Length : 46 m
passerelles pour aller du point le plus haut au point le plus bas du détecteur. 16
Weight : 7500 tonsPrincipe d’un détecteur sur collisionneur
Détecteur à muons
Calorimètre hadronique
Calorimètre
électromagnétique
Aimant solénoïde
Détecteur à traces
Tube à vide
• Reconstruction de la trajectoire
dans un champ mesure de p
• Mesure de E
• Mesure de pµ
Neutrino • Σ p = 0 permet de déterminer
ce qui s’est échappé (ν)
Passer des particules reconstruites dans le détecteur au processus sous-
jacent (par exemple : production d’un boson de Higgs) 17Un des premiers événements vus par ATLAS
Beaucoup de particules créées suite à l’arrêt du faisceau dans un
collimateur en amont de l’expérience le 10 septembre 2008
18Type d’événements
qu’on s’attend à voir lors
des collisions
(exemple : H ZZ*4l)
19H ZZ* 4l
H 2γ
20Aujourd’hui, que fait-on ?
Du pain sur la planche avant le redémarrage du LHC à
l’automne 2009
– Préparation/réparation et compréhension de nos détecteurs
– Etude des rayons cosmiques qui ont traversé nos détecteurs en 2008
– Préparation de la physique
Détection d'un muon issu
d'un rayon cosmique
dans ATLAS:
détecteurs à trace
calorimètre hadronique
21Le mot de la fin
• Le LHC représente un véritable défi technologique dont le but
est de nous apporter des réponses aux grandes questions
actuelles de la physique des particules (Higgs?, Supersymétrie
matière noire? Matière/antimatière?)
• C’est également une incroyable aventure humaine!
• Au LAL : ATLAS & LHCb
Sur Orsay : Alice (IPNO)
Implication : Du détecteur à la physique
• On met tout en oeuvre pour un redémarrage réussi à
l’automne.
22Pourquoi le LHC s'est il arrêté ?
19 septembre 2008
LHC = un prototype complexe !
– Problème d’isolation électrique dans une
connexion inter-aimant lors d'un test à haute
énergie d'un aimant
– Arc électrique a perforé l'enveloppe de l'aimant:
⇒ 2m3 d’hélium liquide vaporisée
⇒onde de choc a endommagé les aimants
alentours
– Réparations : ~quelques mois
– Ajout de nouveaux appareils de mesure pour que
cet incident ne se reproduise pas
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