La physique des particules et le LHC Physique

La physique des particules et le LHC Physique d’Aujourd’hui Genève, le 28 novembre 2001 Allan Clark (Email: Allan. Clark@physics. unige. ch) À voir: http: //dpnc. unige. ch/ 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 1

Table des matières – Introduction et un résumé du cours de M. Maggiore • Les unités et les échelles de grandeur • Les grandes découvertes en physique des particules – Les accélérateurs - leurs principes d’opération - qu’est-ce que le LHC ? – Les particules élémentaires et leurs interactions – Le Modèle Standard et les questions qui restent ouvertes – Pourquoi avons-nous besoin du LHC ? – Qu ’est-ce que l ’expérience ATLAS ? – Le Higgs avec ATLAS – Université de Genève et ATLAS 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 2

Introduction - les unités de longueur et du temps • La connection entre l’énergie et le temps, la position et l’impulsion, est donnée par le constant de Plank. La relation de Heisenberg est: 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 3

Introduction - les unités de longueur et du temps 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 4

Introduction - les unités de longueur et du temps 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 5

Introduction -quelques échelles De plus en plus petit: homme mesure habituelle (vernier) microscope électronique physique nucléaire physique des particules 1, 8 mètre 0, 1 mm 1 micron 1 atome 1 noyau …. 10 -4 m 10 -6 m 10 -10 m 10 -15 m 10 -18 m De plus en plus énergique (l = h / p) : Lumière visible (0, 6 microns): électrons dans un tube de télévision électrons de LEP au CERN (2000) protons du LHC au CERN (2005) 2, 5 e. V* 104 e. V 1011 e. V = 100 Ge. V (1 Ge. V = 109 e. V) 14 x 1012 e. V = 14 Te. V De plus en plus proche des origines de l’univers: 10 -18 m = 100 Ge. V = énergie particule = 10 -10 secondes après le BIG BANG 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 6

Introduction - de plus en plus proche du BIG-BANG E = k. T 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 7

Introduction - les grands pas de la physique des particules • • • 1900 Découverte de l’électron par Thompson 1930 Découverte de la première anti-particule: le positron (e+) 1936 Découverte du muon (m) indiquant l’existence de la deuxième génération 1950 s-1960 s Plusieurs baryons et mesons sont découverts. Leurs propriétés sont expliquées avec un modèle qui prévoit l ’existence des quarks comme composants des hadrons. 1968 Evidence directe de l ’existence des quarks 1970 s Découverte du lepton t et du quark b , qui indiquent l’existence des trois générations. 1980 s Découverte des bosons W et Z : confirmation de la théorie électrofaible 1990 s Mesures précises des propriétés des W et Z au LEP et découverte du quark top à Fermilab: confirmation du Modèle Standard avec trois générations. 2000 s LHC ……………… 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 8

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Les accélérateurs - de plus en plus d’énergie 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 10

Les accélérateurs - comment ça fonctionne Accélération linéaire: - tube de télévision - Dans un champs E, F=q. E 28 Novembre 2001 - Le champ E est fourni par des cavités - Le LINAC du CERN Physique d'Aujourd'hui - AGC 11

Les accélérateurs - comment ça fonctionne - Le cyclotron: - Dans un champ B, F=q(v x B), donc R=p/q. B - Période de rotation est T=2 pm/Bq, indépendent du rayon 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 12

Les accélérateurs - comment fonctionnent les synchrotrons 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 13

Les accélérateurs au CERN 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 14

L’accélérateur LHC au CERN • Les protons sont groupés dans des paquets cylindriques de quelques centimètres de longueur • Chaque 25 ns (40 MHz), il y aura un croisement des paquets dans les zones de l ’accélérateur où les expériences sont placées • Il y aura 23 collisions p-p toutes les 25 ns pour une luminosité de 10 34 cm 2 s-1 • La luminosité (L) est liée à l’intensité des faisceaux et permet de calculer le nombre d’événements observés: –N = L x s (s est la section efficace de l ’interaction) 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 15

Les particules élémentaires • • Les constituants élémentaires de l ’univers sont des particules avec spin 1/2 (fermions) : quarks et les leptons. Pour chacune de ces particules il existe aussi une anti-particule avec la même masse et nombres quantiques opposés (ex: la charge électrique) Les quarks et leptons sont classifiés dans trois générations. Pour chaque génération il existe deux types de particules : – les leptons chargés (électron) et neutres (neutrino) – les quarks up (charge +2/3) et down (charge -1/3) Matière Ordinaire : Quark up + down (proton, neutron) + Électron 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 16

Les Quarks • Les quarks existent dans 2 3 flavours • Les quarks n’existent pas dans l’état libre mais sont liés dans les hadrons par l’interaction forte Les hadrons formés des 3 quarks sont des baryons (p=uud, n=udd) Les hadrons formés d’un quark et un antiquark sont des mésons (p, K) • • Atome classique Atome moderne 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 17

Les interactions fondamentales • L’interaction gravitationnelle (phénomènes astronomiques) • L’interaction électromagnétique (électricité, magnétisme, réactions chimiques) • L’interaction forte (cohésion des noyaux atomiques) • L’interaction faible (radio-activité beta qui permet les réactions nucléaires à la source de l ’énergie du soleil) Toutes les forces connues du monde peuvent être attribuées à ces quatre interactions 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 18

Les théories unifiées Le rêve des physiciens est d ’unifier toutes les interactions en une seule interaction universelle… • 1865 Maxwell développe la théorie des interactions électromagnétiques • 1967 Glashow, Salam et Wienberg développent une théorie qui unifie les interactions faibles et électromagnétiques: la théorie électrofaible • Dans les années 80, l ’interaction forte est ajoutée (mais pas encore unifiée) à la théorie électrofaible: le Modèle Standard • Le but aujourd'hui est d ’unifier les interactions électrofaible et forte 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 19

Le Modèle Standard • Le Modèle standard est la théorie actuelle des particules élémentaires – il englobe toutes les particules connues ainsi que les trois interactions: électromagnétique, forte, faible, sauf la gravitation – il donne des prédictions théoriques en remarquable accord avec les mesures de précision effectuées exemple: les mesures des propriétés de boson Z mesurés au collisionneur e+e- LEP (Large Electron Positron collider) du CERN • La force entre les fermions élémentaires est véhiculée par une particule messagère qui a un spin entière (boson) – le photon pour la force électromagnétique – W et Z pour les interactions faibles – 8 gluons (g) pour les interactions fortes particule messagère 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 20

L ’interaction entre les particules • En physique des particules, plus la particule d’une interaction sera lourde, plus cette interaction sera de courte portée Exemples: • Interaction électromagnétique avec échange d’un photon (Mg = 0) portée d ’interaction = • Interaction faible, désintégration beta, avec échange d ’un W (MW= 80 Ge. V/c 2) g + - portée d’interaction 10 -18 m 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 21

Questions ouvertes du Modèle Standard • Des importants mystères demeurent concernant les particules et les forces fondamentales: – Pourquoi la nature produit-elle en trois exemplaires la famille des particules des quarks et des leptons ? Sont-ils vraiment élémentaires – Pourquoi l’antimatière semble-t-elle avoir disparu de l ’Univers ? – Quelle est la cause de l ’origine et de la répartition de la masse dans les particules ? – Pourquoi la particule W est-elle très lourde et le photon léger alors que tous les deux sont des particules messagères (porteuses de force) ? 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 22

Le mystère de la masse: le boson de Higgs • Le masses des particules qui transmettent les forces fondamentales sont: – photon: M = 0 – boson W, Z : M 80 -90 Ge. V/c 2 • Hypothèse du Modèle Standard, pas encore vérifiée: – il y a une nouvelle particule: le boson de Higgs – le Higgs interagit avec d ’autres particules – les masses des particules sont fournies avec cette interaction avec le boson de Higgs: • W et Z interagissent fortement avec le champs de Higgs et sont lourdes • le photon n’interagit pas, donc M(g) = 0 • Le collisionneur e+e- LEP a exclu l ’existence du boson de Higgs avec M(H) 113 Ge. V/c 2 Il faut attendre LHC (ou Tevatron) pour le découvrir ! 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 23

Le phénomène de Higgs Un salle pleine de physiciens conversant calmement est comme l ’espace occupé par le champ de Higgs…. . Un commité scientifique Ce qui accroît la résistance à entre, créant une perturbation son déplacement, il acquiert sur son passage. . de la masse Si une rumeur traverse la salle. . . 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC Elle donne naissance à un essaim de même type, mais composé des seuls physiciens. Cet essaim représente la particule de Higgs 24

Pourquoi le LHC ? • • La recherche du boson de Higgs est la priorité des expériences au LHC (ATLAS, CMS) Si le boson de Higgs n’existe pas alors: – LHC nous guidera vers la bonne réponse – par exemple il existe une théorie qui prévoit que quarks et leptons ne soient pas fondamentaux mais constituent des objects plus petits – avec l ’énergie du LHC, ces théories seront mises à l'épreuve • Si le boson de Higgs est découverte, de nombreuses énigmes seront encore sans solutions: – Les forces apparemment distinctes de la nature ne sont-elles en réalité que divers aspects d ’une force unique ? – Comment la gravité peut être unifiée avec les autres forces ? En utilisant le supersymmétrie? 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 25

La Supersymétrie • • • Toute une gamme d ’hypothèses théoriques ont été proposées pour répondre aux questions que laisse de côté le modèle standard. La théorie plus populaire est la Supersymétrie (SUSY) SUSY prédit que à chaque particule connue correspond un partenaire, avec la même charge mais différentes propriétés (masse, spin) – Les fermions (spin 1/2) ont des partenaires scalaires (spin 0): • quark squark ( top stop ) • lepton slepton ( électron sélectron ) – Les bosons (spin 1) ont comme partenaires des fermions (spin 1/2) : • W et Z W-inos et Z-inos – Le boson de Higgs 5 particules de Higgs • Si vrai, les particlules sypersymmétrique seront accessibles aux énergies produites dans le LHC. 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 26

Les expériences au LHC • • Le LHC est le collisionneur à l’énergie des collisions la plus élevée du monde et les faisceaux les plus intenses. D’immenses détecteurs sont construits pour étudier ce qui passe lors des collisions: – CMS et ATLAS sont des détecteurs polyvalents – LHCB pour étudier la physique du quark b – ALICE pour étudier les collisions des ions lourds (noyaux de plomb) Uhmm…. L’expérience ATLAS donnera quelques réponses ! 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 27

Les expériences ATLAS au LHC • Qu ’est-ce que l ’expérience ATLAS ? – les particules sont émises dans toutes les directions – le détecteur sera donc sphérique ou, plus communément, cylindrique 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 28

ATLAS - ‘a toroidal LHC Apparatus • • Détecteur polyvalent pour exploiter le potentiel d ’exploration d ’une physique nouvelle offerte par LHC Il permettra de déterminer pour les particules produites dans les collisions p-p dans tous les directions: – Les impulsions, les directions, et le signe des particules chargées – les énergies pour les électrons, photons et particules hadroniques – identifier les électrons, muons et photons – identifier les particules qui sont produites dans un point (à quelques mm) différent du point de collision • les hadrons avec le quark b qui se désintègrent après quelques mm de la collision – déduire la présence des particules (neutrino, particules SUSY) qui échappent à la détection en mesurant l ’énergie totale observée • Emanquante = Ecollision- Eobservée ATLAS est constitué de nombreuses couches. Chacune est conçue pour une tâche spécifique (ex: identifier les muons) 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 29

L’expérience ATLAS au LHC 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 30

L’expérience ATLAS au LHC section transversale Longueur 44 m Hauteur 22 m Poids 7000 tons 28 Novembre 2001 n. Tube à vide n. Détecteur de traces n. Aimant solénoïdal n. Calorimètre électromagnétique n. Calorimètre hadronique n. Aimant toroïdal n. Chambres à muons Physique d'Aujourd'hui - AGC 31

Les éléments de ATLAS Trois éléments principaux: • la trajectographie interne – première couche du détecteur – reconstruit avec précision la trajectoire des particules chargées – mesure l’impulsion des particules chargées et le signe en utilisant la courbure dans un champ magnétique solénoïdal Événement typique reconstruit par la trajectographie interne 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 32

Les éléments de ATLAS (cont. ) • le calorimètre – mesure les énergies des particules chargées et neutres – il est conçu pour stopper la plupart des ces particules – Deux types de calorimètres sont généralement nécessaires: • le calorimètre électromagnétique pour mesurer l ’énergie des électrons, positrons et photons • le calorimètre hadronique pour mesurer l ’énergie des gerbes hadroniques composés par protons, neutrons, pions (p ) et autres particules hadroniques (K) • les chambres à muon (spectromètre) – elles sont situées à l ’extérieur du détecteur pour identifier les muons – elles sont placées dans un champ magnétique toroïdal pour mesurer leurs impulsions avec une grande précision – Seuls les muons et les neutrinos sont capables de traverser tout le détecteur. Les neutrinos échappent aussi à la chambre à muons et leur présence peut être déduite par l ’énergie manquante Eneutrino = Ecollision- Eobservée 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 33

La trajectographie interne Elle est composée de trois parties: 50 x 300 mm n Détecteur à pixel – mesure la position du trajet des particules chargées • précision srf = 10 et sz = 50 mm n Détecteur de traces avec micro-piste au silicium (SCT) – chaque piste reçoit un signal donnant l’information ou est passée la particule • précision srf = 20 mm n Détecteur de traces aux radiations de transition – tubes-pailles remplis de gaz et munis d’un fil axial, mis en haute tension • précision srf 150 mm 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 34

Le calorimètre à Argon Liquide • Il consiste en une succession de plaques d’absorbtion (plomb ou cuivre) et d ’un plan des électrodes, le tout immergé dans l’argon liquide • Les gerbes des particules produisent une ionisation dans l’argon liquide, qui est détectée comme un signal électrique par des électrodes • La géométrie des plaques est en forme d ’accordéon pour avoir une réponse uniforme dans toutes les directions • Il est utilisé comme calorimètre électromagnétique (plaques en plomb) et hadronique (plaques en cuivre) pour les parties avant (end-caps et forward) p 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 35

Le Calorimètre hadronique (Tile. Cal) • Il est situé à l ’extérieur du calorimètre électromagnétique • Les capteurs sont des carreaux (tile) de scintillateur plastique • les gerbes hadroniques émettent une lumière que l ’on détecte et enregistre 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 36

Le Spectromètre des muons • • • Le spectromètre à muons est situé à l ’extérieur des calorimètres Seuls les muons (et les neutrinos) sont capables de traverser tant de matière La mesure de la trajectoire des muons est effectuée dans un deuxième champ magnétique toroïdal par des chambres à fils qui permettent une mesure précise de l ’impulsion 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 37

Quelques événements cherchés: production du boson de Higgs Le boson de Higgs est produit généralement avec d ’autres particules hadroniques (gerbes) m e 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 38

Evénements cherchés: Après l’analyse des données enregistrées en un an à la luminosité maximale 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 39

Evénements cherchés: Ces événements sont utilisés pour déterminer la violation de la symétrie CP dans les désintégrations des mesons B 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 40

L ’université de Genève et ATLAS Notre groupe est impliqué dans différentes importantes activités: • Détecteur de traces au silicium (SCT): • Calorimètre au argon liquide • Système d ’acquisition des données • Simulation et analyse – design, assemblage et production des modules au silicium – design et production des 4 cylindres, support mécanique des modules au silicium – développement du circuit intégré pour l ’électronique front-end utilisé pour la lecture de données – recherche et développement d ’une carte électronique pour le système d ’acquisition de données du calorimètre – intégration avec le système d ’acquisition de données ATLAS – développement du software online – études avec simulations Monte Carlo des processus physiques, comme production du Higgs, pour évaluer les potentialités de ATLAS 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 41

Le détecteur SCT 5. 6 m 1. 04 m 9 disques 1. 53 m 4 cylindres Module du disque (forward) 28 Novembre 2001 9 disques détecteur au silicium Physique d'Aujourd'hui - AGC 42

Carte VME ROD pour le calorimètre • • La carte ROD (Read Out Driver) reçoit les données venant de l’électronique front-end du calorimètre à argon liquide par un lien optique Les données consistent en impulsions de chaque canal du calorimètre qui sont enregistrées de l’électronique chaque 25 ns Elle doit les analyser pour calculer la quantité d ’énergie déposée dans chaque canal qui sera utilisée après par le système de déclenchement (niveau 2). Le temps disponible est seulement de 10 ms pour 128 canaux Des DSP (Digital Signal Processors) sont utilisés pour le calcul Énergie et temps calorimètre signal Carte ROD 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 43

Etudes performances En utilisant les événements des simulations Monte Carlo les performances du détecteur ATLAS peuvent être estimées • Exemple: recherche du Higgs • Pour répondre à ces questions on est en train des faire des analyses (études) en utilisant les événements simulés – Dans quels canaux des désintégrations faut-il cher ? – Quel est le rapport du signal sur bruit de fond ? – Quelles seront les propriétés du Higgs que l’ on pourra mesurer ? Et Comment ? 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 44

Remerciements • Le groupe ATLAS de l’Université de Genève • Lorenzo Moneta a préparé une bonne partie de ces transparences • A voir: http: //www. cern. ch et à vous de promener (cherchez ATLAS publique ou CERN publique) Alain Blondel (Allan Clark) Mauro Donega (doctorant) Monica D’Onofrio (doctorant) Didier Ferrère Mariane Mangin-Brinet Federica Mazzucato Lorenzo Moneta Xin Wu A voir: http: //dpnc. unige. ch et à promener aussi (partout) 28 Novembre 2001 Physique d'Aujourd'hui - AGC 45