La masse des particules lmentaires

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La masse des particules élémentaires
Frédéric Derue Chargé de recherche au CNRS
Laboratoire de
Physique Nucléaire et de Hautes Energies,
Paris, IN2P3-CNRS et Universités
Paris 6 et Paris 7

• Les particules élémentaires
• - Évolution des concepts
• - La masse des particules élémentaires
• Le collisionneur LHC au CERN
• Les expériences Atlas et CMS
• La recherche du Higgs
• Questions ouvertes

? Yann Legoaec/Science et Vie Junior Hors Série
NO 34
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La notion d'éléments
Democrite Aristote

Lavoisier (Vème siècle av JC) (384-322 av
JC)
(1743-1794)

- inventeur de la chimie


moderne

- détermine la taille


caractéristique

des molécules
Dans la philosophie d'Aristote il y avait 4
éléments
Dalton (1808) chaque élément chimique est
constitué d'atomes de masses différentes des
atomes des autres éléments chimiques
3
La table périodique des éléments
Mendeliev (1834-1907) introduit en 1869 une table
périodique des éléments (ce n'est pas le seul,
mais cette table est la plus populaire) le
rangement en colonne se fait par propriétés
chimiques identiques et en ligne par poids
atomique croissant elle est prédictive à
l'époque il y avait des trous dans le tableau
! c'est le signe de l'existence d'une
sous-structure
4
Des modèles d'atomes différents
Jean Perrin (1895) et JJ Thomson (1897) étudiant
les rayons cathodiques montrent que ce sont des
corpuscules chargés négativement, ayant une très
faible masse (ce sont les électrons). JJ
Thomson propose en 1897 un modèle en
clafoutis dans lequel ces charges négatives sont
disséminées dans une structure chargée
positivement.
Rutherford (1912) montra que les
atomes contiennent un noyau central. Les
électrons orbitent autour des noyaux avec une
énergie bien définie mais des positions
mal-définies
10-10 m
5
Sous-structures
10-10 m
Les protons et les neutrons contiennent des
quarks nommés u (up) et d (down) proton uud,
neutron udd
10-14 m
10-15 m
Il n'y a pas de signe que les quarks aient une
sous-structure ...
Les noyaux contiennent des protons (Eugène
Goldstein en 1886) et des neutrons (Chadwik en
1932)
lt 10-18 m
?
Une représentation moderne d'un atome
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Preuves d'une sous-structure
Rutherford en 1912 bombarde des atomes d'or avec
des noyaux d'hélium (particule ?) matière
faite de grands vides points durs chargés
positivement Si les protons et les neutrons
faisaient un cm de diamètre, les électrons et les
quarks auraient le diamètre d'un cheveu, la
taille de l'atome serait alors de 30 terrains de
football 99.999999999999 de l'atome est faite de
vide
1970 sous-structure des protons et des
neutrons est montrée en utilisant des électrons
comme projectiles
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Toujours plus de particules élémentaires
Le Muon
Le Pion
Découvert dans les rayons cosmiques par
Neddermeyer et Anderson (1936). Semble
identique à l'électron mais est 200 fois plus
massif.
Prédit par Yukawa en 1935 et découverts en 1947
... (composé de quarks u et d)
Who ordered that? - I I Rabi
Le Lambda
Découvert dans les rayons cosmiques. Fait partie
des particules dites étranges car elles se
désintègrent plus lentement que prévu Nécessité
d'un troisième quark s (pour strange)
Tous les deux ans est publié la revue de physique
des particules listant les particules connues et
leurs propriétés (environ 800 pages)
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Nouvelles particules en 2003
Premiers signes de l'existence de pentaquarks
Nouvelles résonnances Ds(2317) (0) et Ds
(2463) (1)
9
Particules et interactions élémentaires
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Qu'est ce que la masse ?
Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdu Salam
recoivent le prix Nobel de physique 1979
Ces trois théoriciens mettent au point le Modèle
Standard de la physique des particules. La
théorie inclue - la description des
particules élémentaires - l'interaction forte
due à la charge de couleur des quarks et des
gluons - un formalisme mathématique décrivant à
la fois l'interaction faible et
l'interaction électromagnétique - un mécanisme
permettant d'acquérir une masse alors que
dans la théorie originale ainsi que peut être
dans l'Univers jeune ces particules
élémentaires ont toutes une masse nulle....
le mécanisme de Higgs
Peter Higgs
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Le mécanisme de Higgs
Imaginons un espace remplit de physiciens,
parlant calmement, comme un espace remplit du
champ de Higgs. Un physicien connu entre, crée
autour de lui une attraction et modifie la
répartition des physicens dans la pièce en
bougeant. Il y a ainsi une résistance au
mouvement du physicien il acquiert une masse,
comme les particules bougeant dans le champ de
Higgs.
Si une rumeur traverse la pièce, celà crée des
amas similaires. Ces amas sont l'analogue des
particules de Higgs.
Cette particule est la dernière brique manquante
au Modèle Standard de la physique des particules
!
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Le CERN
Le laboratoire Européen de Physique des
Particules près de Genève environ 10000 personnes
(20 états membres)
LHC
SPS
CERN (Meyrin)
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Principe des accélérateurs de particules
En physique des accélérateurs, une particule est
assimilable à un point matériel caractérisé par
sa masse m, sa charge électrique q et sa
vitesse v
Masse (au repos) electron me
0.91?10-30 kg proton mp
1.87?10-27 kg ion m ? A mp
Charge électrique electron q
-1.6?10-19 C proton q 1.6?10-19
C ion q ? Qe
Accélération
Courbure
En physique des accélérateurs, accélération
apport d'énergie cinétique Entre deux plaques
métalliques une force électrique F est appliquée
à la particule par l'intermédiaire d'un champ
électrique E F qE E U/d Fd q
U Unité d'énergie ELECTRON-VOLT c'est
l'énergie acquise par une particule de charge e
sous une tension électrique de 1 Volt. A cette
énergie, la vitesse d'un électron est déjà de
593 km/s.
Pour guider ou focaliser le faisceau de
particules on provoque la courbure deleurs
trajectoires. La courbure est obtenue sans apport
d'énergie cinétique en appliquant à la particule
de vitesse v une force magnétique F par
l'intermédiaire d'une induction magnétique B F
q v ??B La force, perpendiculaire à la vitesse
et au champ magnétique, impose à la particule
une trajectoire circulaire.
d
E
Plaque métallique
F
U


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Collisions au Large Hadron Collider
27 km de diamètre, 2 milliards d'euros (hors
tunnel), démarrage en 2007
E mc2, équivalence masse-énergie (Einstein,
1905) On concentre au
point d'interaction une
grande quantité d'énergie.
De ce point vont apparaitre de
nouvelles particules
en mouvement. Problème ces particules se
désintègrent presque aussitôt en particules plus
légères les produits de désintégrations Ces
produits de désintégrations (électrons, photons,
muons ...) ont une durée de vie suffisamment
importante pour pouvoir être détectés.
7x1012
7 TeV
eV

Energie du faisceau


1034 cm-2 s-1
Luminosité
Proton

2835
Paquets/faisceau

Proton
1011
Protons/faisceau

7.5 m (25 ns)




Croisement de faisceau 4x107 Hz

Collisions de Proton 109 Hz
Collisions au niveau quark-gluon 105 Hz

Production de nouvelles particules (Higgs, SUSY,
....)




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Les détecteurs du LHC
- Higgs - quark t et b - Antimatière - ....
Ions lourds Plasma Quark-gluon
- Higgs - quark t et b - Antimatière - ....
- quark b - Antimatière
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Les métiers en physique des particules
RD accélérateur Instrumentaliste
Expérimentateur Phénoménologie Théorie
Maths pures
Etre a même de concevoir et construire des
expériences pour tester une théorie Analyser les
données récoltées et les confronter aux
prédictions théoriques
ATLAS France 7 laboratoires, 180
personnes
ATLAS CERN 125 personnes
Le groupe du LPNHE
électronique (5) physique informatique
(2) - 3 chercheurs CNRS mécanique (10) - 4
enseignants/chercheurs
- 1 post-doc - 2
thésards
ATLAS 150 laboratoires
1800 personnes
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L'expérience Atlas
Atlas est une collaboration internationale
regroupant 1800 physiciens et ingénieurs. Son
cout est d'environ 300 millions d'euros. Sa
conception et sa construction se sont étalées sur
15 ans. Son exploitation durera plus de 10 ans.

• Le détecteur est composé de trois
  sous-systèmes, en partant du centre
• le détecteur interne pour une mesure précise
  des trajectoires des particules chargées
• le calorimètre électromagnétique à argon liquide
  suivi d'un calorimètre hadronique
  fer-scintillateur pour la mesure du dépôt
  d'énergie et l'identification des photons, des
  électronset des hadrons
• le spectromètre à muon de haute résolution avec
  un système d'aimant toroïdal supraconducteur qui
  fournit le champ magnétique.

Calorimètre hadronique
Calorimètre électromagnétique
Chambres à muons
Toroïde supraconducteur
25 m
Détecteur interne
44 m
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Trajectoire des particules dans CMS
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Jeu !
Faire une coupure sur l'impulsion transverse des
traces mv sin(?) gt2 GeV
Trouver 4 segments de droite ....
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La recherche du boson de Higgs
Observation du Higgs est très rare on l'attend
dans une collision sur mille milliards (1012)
-Taux de collisions élevé 700 millions/s
pour observer quelques Higgs par jour - bien
séparer les bons événements des mauvais - Trier
vite et bien en 2 ?s éliminer 99,9 des
événements en
quelques ms, éliminer 99,99999
(enregistrer le bon événement
et en rejeter
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Etude statistique - reconstruire la masse des
particules - trouver un pic de masse - trouver si
il y a suffisament d'événements dans ce pic
pour que ce soit sûr...
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La recherche du boson de Higgs
Le 5 septembre 2000 a lieu au CERN un séminaire
spécial du LEPC (Large Electron-Positron collider
Committee), présidé par Michel Spiro du DAPNIA
(Saclay). A cette date, une luminosité d'environ
150 pb-1 a été accumulée par chaque expérience.
Les quatre collaborations du LEP combinent leurs
résultats et présentent le spectre de masse
reconstruite, obtenue par une sélection, pour
laquelle le rapport prédit entre le nombre
d'événements Higgs reconstruit une masse
supérieure à 109 GeV/c2 et le nombre d'événements
du bruit de fond est 2. Il montre qu'un excès de
candidats des masses reconstruites supérieures à
109 GeV/c2 est présent dans les données...
Est-ce que l'excès est significatif ? La
probabilité que l'excès soit dû à du bruit de
fond est de 0,7. Le seuil requis pour une
découverte est cependant de 1 chance sur 1,8
millions ......
l'accélérateur LEP est arrêté, la construction du
LHC démarre ......
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Autres problèmes Matière et antimatière
Paul Dirac prédit l'existence du positron en 1928
Anderson (1932) découvre le positron prédit par
Dirac
L'Univers n'est pourtant fait que de matière
! Pourquoi et comment l'antimatière a-t-elle
disparue ?
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Autres problèmes Unification des interactions
fondamentales
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Autres problèmes Matière et énergie noire