Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur.Voir les crédits
des autres photos et des animations.
REMARQUE : Les comptes rendus des conférences
sont mis en ligne au fur et à mesure
Vous vous en apercevrez en allant voir la
page du compte rendu général de temps en temps à l'index
"conférences", je
signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site
BREF COMPTE RENDU
Nombreux public pour un sujet qui promet d’être
passionnant.
Yves Sirois est chercheur au laboratoire
Leprince Ringuet de l’école polytechnique, il dépend aussi du CNRS/IN2P3
(Institut national de physique nucléaire et de physique des particules),
c’est à dire du haut lieu français de la physique des hautes énergies.
Il est le responsable du côté français de
l’expérience fondamentale CMS
(Compact Muon Solenoid) qui doit trouver le fameux boson de Higgs.
Sa présentation, intitulée « Chasseur
de Higgs au LHC » est sous titrée, « À la recherche des
origines », voici son plan :
·Le collisionneur et les grandes expériences
·Les objectifs scientifiques
·Les défis technologiques
·Les premiers résultats.
INTRODUCTION.
Le LHC est comme un super périphérique
parisien situé à 100m sous terre, il est composé de milliers
d’aimants supraconducteurs chargés de maintenir des particules
chargées sur leur « orbite » avant collision.
Il y a quatre expériences de haute
technologie aux 4 pôles du LHC, les plus importantes, ATLAS et CMS
comportent des détecteurs gigantesques qui ont été en partie montés
sous terre.
Le LHC,
acronyme de Large Hadron Collider soit grand collisionneur de Hadrons, les hadrons étant des particules sensibles
à l’interaction forte (contrairement aux leptons, comme l’électron qui
y sont insensibles, mais sont sensibles à l’interaction faible), ils sont
composés de quarks.
Il y en a deux sortes : les baryons (protons, neutrons bien connus) et les mésons.
Le LHC qui doit faire tourner des particules
chargées à des vitesses très proches de celle de la lumière, nécessite
à l’intérieur des anneaux, le vide bien entendu, un champ magnétique très
performant et aussi une température
très basse, 1,9K !!! Température plus basse que celle de l’Univers
actuel (2,7K).
Le LHC doit être capable de collisions délivrant
une énergie de 362 MJ
(Méga Joule) par faisceau, chaque faisceau comportant près de 3 1014
protons de 7 TeV chacun .
Rappelons que le Joule est l’unité de
travail du système international (SI) égale à 1 N.m ou 1 W.s, ce qui
n’est peut être pas très parlant pour l’homme de la rue : 1 kWh,
énergie fournie par une puissance de 1kW pendant une heure est équivalent
à 3,6MJ.
Les 362 MJ par faisceau peuvent être comparés
(d’après les scientifiques) à l’énergie cinétique de près de 500 véhicules
de 2t se déplaçant à 100km/h.
C’est le lieu d’immenses collaborations
planétaire comme on le voit sur ce graphique.
LES
OBJECTIFS SCIENTIFIQUES.
L’accélérateur peut être comparé à un puissant … microscope qui doit nous
permettre :
·de nous
rapprocher des premiers instants de l’Univers,
·de lever
peut être le voile sur la matière noire,
·d’y
apprendre ce qu’est advenue l’antimatière et surtout
·de
comprendre comment les particules acquièrent une masse.
Les hautes énergies mises en jeu dans le LHC
nous permettent :
·de sonder la matière à petite distance
·de créer de nouvelles particules de grande masse
·d’étudier les très hautes énergies
Il existe 4 principes fondateurs à la physique
des particules :
·Le principe d’unification : unification des forces ;
recherche des constituants ultimes de la matière…
·Le principe de symétrie : à toute symétrie correspond une loi
de conservation
·Le principe de relativité : les lois de la physique indépendantes
du référentiel de l’observateur
·Le principe de mesure
Naissance d’un
paradigme (paradigme : manière
de voir les choses suivant un modèle bien reconnu).
James Maxwell introduit le concept de champ, il
remarque une symétrie entre les équations de l’électricité et du magnétisme,
il procède à l’unification qui donne naissance à l’électromagnétisme :
la lumière est une onde électromagnétique.
De même Einstein établit une relation entre
espace et temps et crée l’espace-temps.
Il y a aussi fusion entre chimie et physique
atomique avec la mécanique quantique.
Puis dans les années 1960, fusion de l’électromagnétisme
et de la force faible.
Matière et interaction .
Les fermions (la matière) et les bosons
(messagers des forces) se comportent tantôt comme des ondes et tantôt
comme des particules.
Une interaction est décrite en physique nucléaire
comme un échange de bosons entre deux fermions.
En physique de la matière, il y 4 forces fondamentales :
·la force
forte,
·la force
faible,
·la force
électromagnétique et
·la force
gravitationnelle
Elles ont des degrés d’actions très inégaux,
par exemple la gravité est la plus faible mais a un rayon d’action
infini.
Intéressons nous à l’interaction faible, celle concernée par le LHC.
Rappelons qu’elle agit sur les quarks et les
leptons, son influence est limitée au noyau atomique.
C’est la cause de la radioactivité bêta qui
permet à un corps de se transformer en un autre et notamment de transformer
un proton en neutron. Le soleil ne brillerait pas sans cette interaction qui
avec la transformation du p en n permet la formation du Deutérium qui entre
en jeu dans la fusion nucléaire.
Signalons aussi que la force faible distingue
la gauche de la droite (chiralité) et qu’elle induit des
brisures de symétrie spontanées.
Mais un des buts de la physique fondamentale
moderne, est de trouver le chemin vers une possible unification des 4 forces
décrites plus haut .
On pense que celles-ci étaient effectivement
unifiées au tout début de l’Univers, aux alentours du temps de Planck
(10-43s)
LES
CONSTITUANTS ULTIMES DE LA MATIÈRE.
Ce tableau très connu, résume nos
connaissances (actuelles, adjectif important !) sur ce que nous pensons
être le monde des particules.
Ces particules de matière existent pour
l’essentiel depuis les premiers moments de l’Univers.
Elles se sont combinées dans les étoiles pour
créer des éléments de plus en plus complexes qui nous composent.
La gravitation règne sur l’Univers à grande
échelle.
L’électromagnétisme règne sur la matière
qui nous entoure et est responsable de la cohésion physique des êtres
vivants.
L’interaction forte est responsable de la cohésion
du noyau atomique.
Et
la force faible. À quoi sert-elle ? À pas grand chose, c’est à
dire à presque tout nous dit Yves Sirois.
L’interaction faible
et la matière.
La matière stable est exclusivement constituée
des particules de la première famille du tableau ci-dessus.
C’est l’interaction faible qui nous cache
les autres familles de fermions en leur conférant une durée de vie extrêmement
courte.
Comme déjà dit, l’interaction faible
distingue entre gauche et droite, c’est une violation de la parité P.
On rappelle que les physiciens définissent 3 symétries miroir CPT : Charge, Parité, Temps.
La parité : tout processus physique est
équivalent à son image dans un miroir.
On note une symétrie fondamentale pour l’électromagnétisme ,
de même une symétrie exacte des forces nucléaire forte et
gravitationnelle.
Par contre la nature viole la symétrie miroir
P (Parité) de façon maximale dans les interactions faibles.
Les bosons Z et W ne se couplent qu’aux
composantes « gauches » des fermions élémentaires.
Les quarks des trois générations se mélangent
par échange virtuel du boson W, ce qui crée un déséquilibre essentiel
entre matière et antimatière, condition
fondamentale pour que la matière domine l’Univers sur l’antimatière.
Mais il reste un problème majeur à résoudre :
La symétrie fondamentale fait que les bosons
(interaction) et les fermions (matière) doivent être de masse nulle.
Tous devraient donc se propager à la vitesse
de la lumière.
Les fermions sont organisés en composantes
gauche et droite.
Pour donner une masse aux bosons Z et W ainsi
qu’aux fermions, il
faut briser la symétrie fondamentale.
La brisure spontanée de symétrie est caractérisée
par une transition de phase vers un état moins symétrique.
Des défauts topologiques pourraient avoir été
formés quelques 10-35s après le Big Bang, quand le champ de
Higgs s’est figé dans des orientations différentes.
Le champ de Higgs est un champ
scalaire hypothétique, qui se manifeste par le fameux boson de Higgs. Il
induit la brisure de symétrie qui donne une masse aux bosons Z et W. Il
agit sur les particules élémentaires qui acquièrent elles aussi une
masse.
Une fois le champ de Higgs ayant agit, les
deux interactions, électromagnétique et faible, se distinguent l'une de
l'autre. on dit qu'il y a brisure de symétrie.
LA
PHYSIQUE AU LHC.
·Origine des masses : structure de la matière, 4ème
famille de fermions, brisure de la symétrie électrofaible.
·Origine de l’asymétrie matière-antimatière : violation CP
·Origine de la matière noire : super symétrie ?
·Aux origines de la physique dans l’Univers :Grande Unification ?
dimensions supplémentaires ? plasma de gluons..
Il
faut donc une nouvelle physique pour stabiliser la masse du boson de Higgs
aux dessous du Tev. Est-ce la super symétrie (abréviation : SUSY) ?
La Super
Symétrie, est une nouvelle approche qui tente d’unifier les
interactions, les particules fondamentales et l’espace-temps. Il s’agit,
entre autres, d’unifier par symétrie les fermions et les bosons (les
fermions pouvant être des bosons miroirs et réciproquement) et donc
d’imaginer des nouvelles particules à découvrir.
Cela doublerait bien sûr le nombre de
particules "élémentaires".
Cette nouvelle symétrie étend alors la symétrie
de l’espace à l’espace-temps avec des mathématiques complexes et
inclut en partie la gravitation.
La découverte du boson de Higgs validerait les
théories actuelles, à contrario, il faudrait mettre au point une nouvelle
physique.
LES
IMPACTS TECHNOLOGIQUES.
Les expériences du LHC sont motivées par la
recherche fondamentale.
La recherche fondamentale est nécessaire ,même
si beaucoup pensent qu’elle ne sert à rien.
Rappelons nous qu’on n’a pas inventé
l’ampoule électrique en améliorant la bougie…..
On n’a pas non plus inventé le web
(d’ailleurs ici au CERN par Tim Berners Lee!) en améliorant le
livre.
Les accélérateurs sont les outils principaux
utilisés dans ces grandes cathédrales de physique atomique.
Il faut se rappeler aussi que la base
principale de toute l’imagerie médicale utilisée de nos jours, provient
de la physique nucléaire et de la physique des particules.
Le CERN développe
la Grille (The Grid en anglais), plus puissant que le web pour traiter
l’énorme quantité d’informations produites par les expériences menées.
L’expérience CMS.
CONCLUSION.
En 6 mois le LHC a déjà redécouvert (et
confirmé) la physique des 50 dernières années
Un des plus grands projets scientifiques de
l’histoire est en marche au CERN.
Les grandes expériences accumulent des données
de collisions à 7Tev depuis le début 2010, on est à la physique des
premiers instants de l’Univers.
Les
résultats des prochaines années devraient nous permettre de comprendre
l’origine des masses, l’asymétrie matière antimatière, la nature de
la matière noire et finalement la structure de la matière.
Il
faut donc une nouvelle physique pour stabiliser la masse du boson de Higgs
aux dessous du Tev. Est-ce la super symétrie (abréviation : SUSY) ?
