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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 collot@in2p3.fr

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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