cosmo SAF C Guyot LHC boson HIggs 14 sept 2013



Mise à jour le 23 Sept 2013


CONFÉRENCE de Claude GUYOT
De l’IRFU (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers) Responsable de l’expérience ATLAS au CEA
«L’AVENTURE DU LHC ET LA RECHERCHE DU BOSON DE HIGGS»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI

Le Samedi 14 Septembre 2013 à 15H00 à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la SAF et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. LHC-SAFCosmo-sep2013.pdfelle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2013-2014).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.



BREF COMPTE RENDU
La présentation étant très claire et très complète ce compte rendu sera succinct.








L'Irfu appartient à la Direction des Sciences de la Matière du CEA.

Ses activités scientifiques relèvent de l’astrophysique, de la physique nucléaire et de la physique des particules.

Claude Guyot est à la tête de l’un des deux programmes français (ATLAS, l’autre est CMS) versés dans le gigantesque projet de recherche du boson de Higgs au CERN.

Il prépare un ouvrage qui devrait être disponible bientôt :
« L’aventure du grand collisionneur ; du Big Bang au boson de Higgs »

Nous en reparlerons dans ces colonnes.






Voici le plan de sa présentation :


· •Particules et forces
· •Le Modèle Standard de la physique des particules
· •Le mécanisme de BEH et le boson de Higgs
· •Les insuffisances du Modèle Standard et la nécessité d’une nouvelle physique
· •Les accélérateurs et les expériences en physique des particules
· •Comment produire et détecter le boson de Higgs
· •Le projet LHC
· •Les expériences ATLAS et CMS
· •Les prises de données en 2011 et 2012
· •La découverte du boson de Higgs
· •Est-ce bien le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard?
· •La recherche de nouvelle physique
· •Le boson de Higgs et les grandes questions de la physique des particules
· •Le futur



PARTICULES, MODÈLE STANDARD ET MÉCANISME BEH.

Toutes ces notions sont bien connues de nos membres.


Les 12 particules de matière (6 leptons et 6 quarks) sont organisées en 3 familles. 3 forces sont intéressantes en physique nucléaire : forte, faible et électromagnétique. Ces 3 forces possèdent chacune un ou des messagers.	Échelle des masses des différentes particules. Pour info, un proton ou un neutron a une masse approx. de 1 GeV




Il est à remarquer que les seules particules stables sont celles de la première famille : électron, et quarks up et down, et que la masse des protons (ou des neutrons) composés de 3 quarks est en fait due non pas aux quarks eux mêmes mais à l’énergie de leur interaction (les gluons).

La théorie de jauge qui décrit les interactions prévoit a priori une masse nulle pour les bosons vecteurs, or on constate l’inverse.

Ce problème ardu a été résolu par Higgs et ses collègues : c’est un champ de particules (le champ de Higgs) qui remplit tout l’espace et donne une certaine « viscosité » au vide.
Les particules qui interagissent avec ce champ (elles « ralentissent ») acquièrent ainsi une masse.

Ce mécanisme implique aussi l’unification électrofaible.

Le boson de Higgs est en fait l’excitation de ce champ de Higgs.

Lien avec l’histoire de l’Univers :

Au moment du Big Bang, les particules sont nées sans masse.

Vers 10^-12 sec après le BB, intervient le mécanisme de Higgs qui donne une masse aux particules, par un processus similaire à la condensation de vapeur d’eau.



LE MODÈLE STANDARD ET SES LIMITES, LA SUITE.

Ce mécanisme est tout à fait en accord avec le modèle standard, mais ce que ce MS n’explique pas encore :
· La matière noire
· L’énergie noire
· La gravitation
· La masse des neutrinos
· La dissymétrie matière/antimatière
· L’absence de violation CP dans les interactions fortes
· Etc..

Donc beaucoup de travail encore pour nos astrophysiciens !

Au delà du modèle standard il va falloir penser à une nouvelle physique.

Est-ce la super symétrie qui permettrait d’unifier électrofaible et force forte ?

Et ensuite…. ?



LES ACCÉLÉRATEURS ET LES EXPÉRIENCES.




En fait le collisionneur de Hadrons (le LHC) est l’aboutissement des expériences précédentes comme :
· le PS Proton Synchrotron) en 1959
· le SPS (Super PS) qui permit la découverte des bosons Z et W en 1976
· le LEP (Large Electron–Positron Collider) pour lequel on construisit le tunnel à 100m de profondeur en 1989-200
· le LHC enfin utilisant ce même tunnel à partir de 2008. 14 TeV







Comment produire des Higgs ?



Au LHC le Higgs est produit par interaction de deux gluons.

Mais le rendement de cette production de bosons est très mauvais : il faut 10 milliards d’évènements (durée : 10 secondes au LHC !!!) avant de produire 100 millions de quark b, puis 200.000 bosons W et enfin ……3 bosons de Higgs.

Le Higgs n’avait pas été vu au LEP, il n’avait pas été vu au Tevatron de Chicago, il fallait donc encore plus d’énergie ; ce fut la raison de la construction du LHC.

Nos connaissances avant le LHC sur le boson de Higgs grâce à ces deux accélérateurs précédents : on estimait sa masse entre 115 et 160 GeV.








Comment détecter le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs se désintègre spontanément en d’autres particules, on ne peut le détecter qu’en observant ces particules.

Les réactions les plus faciles à observer (ce ne sont pas les plus fréquentes) :
· Higgs à deux photons
· Higgs à ZZ puis à 4 électrons ou 2 électrons et 2 muons.

Il faut donc être capable de détecter ces particules (type, énergie et position).
Chaque type de particules aura un type de détecteur dédié dans chacune des grandes expériences.


LE PROJET LHC.

Les études sur CMS et ATLAS, les deux grandes expériences commencent en 1992, pour une première collision en 2009.

Le projet est réellement envisagé à partir de 1984. on va utiliser le tunnel du LEP.
Le rôle de Carlo Rubbia a été essentiel.
Le principe est approuvé en 1991.

Le LHC aura coûté 3 milliards d’euros dont 500M€ pour CMS et 500M€ pour ATLAS .


Quelques caractéristiques du LHC :

Le LHC contient 9300 aimants :
392 quadripôles supraconducteurs (focalisation)
2464 sextupôles, 1232 octupôles, plus de 1200 autres petits aimants de correction
1232 dipôles, le plus gros défi à relever (14.3m et 35t par dipôle = 18 km de dipôles sur les 27 km de LHC)

Les Supraconducteurs:
NbTi température de transition 10K utilisé à 1.9K ð champ de 8.33T
Energie stockée > 10 GJ (» un A380 à 700 km/h) (200 x les précédents accélérateurs)

Bobinage
1 câble (Ø1,5cm) = 36 brins torsadés (Ø1,5mm)
1 brin = 6400 filaments (Ø 7μm)
7600km de câbles = en brins 5 AR Terre-Soleil plus un aller sur la Lune!

Cryogénie:
Le plus gros frigo du monde: 40000t de matériel à 1.9K (120t d’He superfluide). 1,9K = -271,25°C.
L’endroit le plus froid de l’univers (le fond diffus est à 2.7K)
Avec des températures générées par les collisions plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil.



Le LHC a marché en fait beaucoup mieux que ce que l’on pensait.

On est submergé d’informations, mais en fait on en jette la plus grande partie (le LHC : une grande poubelle ??) et on ne garde que 400 évènements potentiellement intéressants par seconde.


LA DÉCOUVERTE.

La suite est connue, le 4 Juillet 2012 l’annonce de la découverte.

Tout ceci a été relaté maintes fois déjà sur ce site, se reporter aux CR précédents et aux archives.

Les derniers résultats donnent une masse pour le Higgs de 125,5 GeV et une durée de vie de 10^-26 sec ; ils proviennent de la détection des deux voies : 2 photons et 2 bosons ZZ.

Mais le problème le plus important, c’est le bruit de fond qu’il faut éliminer.


Il faut voir clairement le petit pic indiqué sur le graphique ci-contre, c’est la signature de la présence du Higgs.	Et c’est effectivement ce que l’on remarque sur cette courbe réelle, celle-là et présentée lors de la conférence du 4 juillet 2012


Ce petit pic correspond à un excès de 360 évènements à près de 5 sigmas de précision. Ce qui confirme la découverte.




LA SUITE : RECHERCHE D’UNE NOUVELLE PHYSIQUE.



Différentes voies s’offrent aux physiciens :

· La super symétrie (SUSY)
· La grande unification
· Des dimensions supplémentaires
· L’inflaton
· Plusieurs bosons de Higgs ?

Donc du travail pour les prochaines générations.







Le LHC est arrêté en 2013/2014 pour maintenance (on refait notamment toutes les soudures !) et pour augmenter l’énergie afin de redémarrer en 2015 avec 6,5TeV + 6,5TeV = 13 TeV et augmenter aussi le nombre de collisions.

Les prochains collisionneurs :

· l’ILC un collisionneur linéaire
· le TLEP en ajout au LHC.







POUR ALLER PLUS LOIN :


CR de la conf SAF de Yves Sirois sur le LHC et le boson de Higgs du 11 Sept 2013

Le boson de Higgs et le LHC : CR de la conférence IAP de B Mansoulié le 5 Fev 2013. (02/03/2013)

Le LHC et les 2 infinis : CR de la conférence SAF de M Spiro du 14 Avril 2010. (22/04/2010)

Recherche du boson de Higgs du Modèle Standard avec l'expérience ATLAS au LHC résultante à la observation d'une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs ; en anglais, mais un fort bon résumé du sujet.

Le modèle standard par l’IN2P3.

Le LEP au CERN.

La masse des particules vidéo avec E Klein

La découverte du boson de Higgs vidéo avec E Klein.

Construction du LHC et le modèle standard vidéo par nos amis Canadiens.

C’est quoi le boson de Higgs vidéo par John Ellis. (en français)






Jean Pierre Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
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PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :

Notez dès à présent les dates des prochaines réunions : toujours à 15H au siège 3 rue Beethoven P16
Nous devrions pour la prochaine réunion (où nous accueillerons 20 nouveaux membres) ré arranger la présentation de la salle afin que tout le monde ait une bonne place.
Merci d’avance de votre aide.

· samedi 16 Novembre : Me Brigitte Rocca de l'IAP du consortium GAIA nous parle de cette sonde qui devrait être déjà lancée ou sur le point de l’être.
· samedi 18 Janvier 2014 : Thierry Lasserre du CEA/DSM/IRFU Service de Physique des Particules (SPP) nous parle de « neutrinos et cosmologie »

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