La physique des particules

Source Yves Sirois (Physicien responsable expérience CMS au LHC membre équipe de découverte du boson de Higgs) 

Fermions et Bosons

Dans le monde de la physique des particules, il existe deux entités : les fermions et les bosons.

• Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules
• Les Bosons sont principalement les « messagers » des forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon de lumière est le plus connu de tous

 On peut résumer par : Fermions = Matière, Bosons = Messagers de Forces

Les 4 forces fondamentales

Ces forces se caractérisent par leur portée.

 L’interaction gravitationnelle

Responsable de la pesanteur, c’est la force la plus faible mais elle règne sur l’Univers. 
Portée illimitée

L’interaction électromagnétique

Responsable de l’électricité, du magnétisme, de la lumière et responsable de la cohésion des êtres vivants. 
Transportée par le photon. Portée illimitée.

 L’interaction forte

Responsable de la cohésion des noyaux atomiques, très puissante. 
Courte portée.

L’interaction faible

C’est l’interaction qui est concernée par le LHC.

Responsable de la radioactivité bêta, qui permet au Soleil de briller.
Elle agit sur les quarks et les leptons, son influence est limitée au noyau atomique.
Les bosons véhiculent l’interaction faible.
Courte portée.

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 proton en neutron permet la formation du Deutérium qui entre en jeu dans la fusion nucléaire.

Les particules élémentaires

Le tableau ci-dessous présente une synthèse des particules du Modèle Standard

Les Interactions fondamentales

Le tableau ci-dessous présente les relations entre les particules et les interactions

Origine de la lumière

Cela a commencé avec Maxwell et l’unification de l’électricité et du magnétisme, avec la notion de champ électrique et de champ magnétique. On a noté une symétrie entre les équations de ces deux forces.
La lumière est une onde électromagnétique, conséquence de l’unification de l’électricité et du magnétisme.

Notion de champ

Un champ est associé à une propriété physique (une valeur mesurable) en tout point de l’espace-temps.
On dit que l’on a affaire à un champ scalaire lorsque la grandeur mesurable est une valeur numérique, comme le champ des pressions ou des températures.
On dit que c’est un champ vectoriel lorsque la grandeur mesurable est caractérisée par un vecteur, comme un champ de vitesse (une vitesse à une valeur absolue et une direction).

Grandes révolutions du XXème siècle

L’unification de l’électricité et du magnétisme mène à deux grandes révolutions

La relativité restreinte d’Einstein

Les équations de Maxwell sont invariantes pour un changement de repère galiléen (transformation de Lorentz). Cela implique que la vitesse de la lumière (photons de masse nulle) doit être la même quel que soient les repères.
Énergie et masse sont deux aspects d’une même entité.

La mécanique quantique

La stabilité des orbites des électrons de l’atome implique la quantification. La dualité onde corpuscule est introduite par De Broglie.
Énergie et temps sont liés pas la relation d’incertitude (indétermination) de Heisenberg.
Sur le chemin de la physique moderne : Dirac effectue le mariage de ces deux révolutions conceptuelles.
Le mariage mène à l’électrodynamique quantique (QED)

Théorème d’Emmy Noether

Mathématicienne allemande établit en 1918 ce théorème qu’Einstein lui-même qualifia de monument de la pensée mathématique.
Elle a imaginé que derrière chaque symétrie se cache un invariant et en déduisit son théorème qui établit un lien entre les symétries et les lois de conservation.
C’est ainsi que l’on peut établir des correspondances entre symétries et invariants :

Théories Fondamentales du modèle standard des particules

Théorie de Jauge

Dans une théorie de jauge, il y a un groupe de transformations des variables qui laisse la physique du champ quantique inchangée.
Cette condition est appelée invariance de jauge
La première théorie ayant une symétrie de jauge était l’électrodynamique classique de Maxwell.
Imposer l’invariance de jauge pour une théorie des électrons implique l’existence des interactions électromagnétiques.

Théorie des champs

L’électrodynamique quantique (quantum electrodynamics = QED) est aussi une théorie de jauge.
Le modèle standard est une théorie des champs basée sur des symétries de jauge.
Les symétries de jauges fixent la nature des interactions.
Toutes les particules de matière (fermions) et d’interaction (bosons) sont des quanta d’excitation de champs.
Les particules sont les excitations d’un champ.

Champs et Particules

Les électrons sont identiques dans tout l’Univers car tous quanta d’un seul et même champ.
Les fluctuations quantiques du champ impliquent que le vide (absence de particules réelle) contient une « mer » virtuelle de particules et d’anti particules.

La force électrofaible

La force électrofaible est l’unification des forces électromagnétique et faible.
(Prix Nobel 1979)
Au tout début de l’Univers, la température étant extrêmement élevée (donc les énergies très fortes) ces deux forces étaient unifiées.
Ces deux forces sont d’apparence très différentes, la force électromagnétique est de portée infinie, par contre la force faible ne joue qu’au niveau atomique.

Par contre, vers une centaine de GeV, ces deux forces possèdent le même ordre de grandeur. L’unification donne la force électrofaible.

Dans le modèle standard à haute température, les symétries ne sont pas brisées et les particules sont sans masse.

La force gravitationnelle

La force gravitationnelle est encore plus faible mais elle croît encore plus vite avec l’énergie que l’interaction faible, ce qui laisse ouverte la possibilité d’une unification de toutes les interactions élémentaires.

Le Boson de Higgs

La force électrofaible est basée sur un groupe de jauge dont les transmetteurs sont les bosons Z et W^±  pour l’interaction faible et le photon g pour l’interaction électromagnétique.
Mais un problème apparaît : les bosons de jauge devraient être de masse nulle d’après la théorie, ce qui n’est manifestement pas le cas.
On ne peut pas introduire la masse directement dans la théorie.
On ne peut pas se passer de connaître l’origine de la brisure de symétrie de la force électrofaible.

La réponse sera apportée notamment par Robert Brout, François Englert, et Peter Higgs en 1964, en introduisant un nouveau champ, un champ scalaire dit de « Higgs », qui induit une brisure spontanée de symétrie électrofaible.

Un des buts ultimes du LHC est de mettre en évidence ce champ de Higgs (ou le boson de Higgs).
Le champ de Higgs (boson de Higgs) est essentiel :

• Il permet d’assurer la viabilité de la théorie des interactions fondamentales (le modèle standard).
• Il permet de différencier les forces électromagnétique et faible.
• Il donne de la substance à la matière en procurant une masse à certaines particules.
• Il introduit la notion de vide au cœur de notre récit de l’Univers.

Origine de la masse

Comment expliquer que certaines particules soient massives et d’autres sans masse ?
C’est le challenge de la fin du XXème siècle pour la physique des particules.

L’explication fait intervenir la notion de symétrie.
Au tout début de l’Univers, toutes les particules étaient toutes sans masse.
Dans la théorie développée par Higgs et ses collègues, l’existence d’un champ scalaire induit une brisure spontanée de symétrie quand l’univers s’est suffisamment refroidi.

Ce champ scalaire (le champ de Higgs) est présent dans tout l’Univers.
Il est responsable de la brisure de symétrie de la force électrofaible.
Il donne une masse aux bosons Z et W.
Les fermions élémentaires (électrons, quarks) interagissent avec ce champ et acquièrent une masse.
Le photon n’interagit pas avec le champ de Higgs, sa masse est donc nulle et sa portée infinie.

Apparition du champ de Higgs

Le champ de Higgs apparaît 10^-12 sec après le Big Bang.
Voici comment on pourrait représenter une brève histoire de l’Univers telle qu’on l’imagine en ce début de XXIème siècle.

Unification des Forces fondamentales

Un des buts de la physique fondamentale moderne, est de trouver le chemin vers une possible unification des 4 forces décrites plus haut.

La Théorie du Tout (TOE) décrit que ces forces étaient effectivement unifiées au tout début de l’Univers, aux alentours du temps de Planck (10^-43 s) à une énergie de 10¹⁶ TeV.

La Théorie de la Grande Unification (GUT) fusionne en une seule les trois interactions de jauge du modèle standard : électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible. L’énergie nécessaire est de 10¹³ TeV.

L’unification électrofaible qui fusionne la force électromagnétique et la force nucléaire forte se produit vers 0,1 TeV. Cette énergie atteinte au LHC en 1984 a permis la détection des Bosons W et Z.

En 2012 l’énergie de 10 TeV est atteinte, elle permet de mettre en évidence le Boson de Higgs.  

Rappel sur trois constantes universelles

La vitesse de la lumière est la valeur dans le vide, c’est la vitesse maximale que peuvent atteindre toutes particule sans masse ou d’information dans l’univers

La constante gravitationnelle est la constante de proportionnalité de la loi universelle de la gravitation de Newton

La constante de Boltzmann peut s’interpréter comme le facteur de proportionnalité entre la température thermodynamique d’un système et son énergie au niveau microscopique dite énergie interne.

Dimensions de Planck

En 1900, Max Planck, physicien allemand (futur prix Nobel en 1918) propose l’idée suivante : Les radiations électromagnétiques sont émises ou absorbées par paquets, les quanta.

En 1905, Einstein émit l’idée que la lumière aussi est composée de quanta, les photons.
En réalité, les expériences prouvent que la lumière est à la fois de nature ondulatoire et corpusculaire.

Constante de Planck

D’une petitesse extrême, cette valeur représente la plus petite quantité d’énergie existant dans le monde physique. La plus petite action mécanique concevable.

On désigne par h la constante de Planck On utilise en physique de l’Univers la constante de Planck réduite notée ℏ = h/2π

Cette constante est utilisée pour donner la taille des quanta.
Les dimensions de Planck sont les grandeurs les plus petites concevables de l’Univers.

Pour une radiation de fréquence \mathbf{\nu}, le quantum d’énergie est : 
\mathbf{E=h\nu}
En mécanique newtonienne, l’énergie cinétique est liée à la vitesse de la particule :
\displaystyle\mathbf{E_c=\frac{1}{2}mV^2}

Masse de Planck

\displaystyle\mathbf{m_p=\sqrt{\frac{c.\hbar}{G}}}

Si la masse de Planck est portée par une particule unique, c’est la plus grosse masse possible pour une particule ponctuelle
Valeur : 2,176 434 .10^-8 kg

Énergie de Planck

\displaystyle\mathbf{E_p=m_p.c^2 = \sqrt{\frac{c^5.\hbar}{G}}}

Elle correspond à l’agitation thermique présente à la température de Planck.
En théorie des cordes, l’énergie de Planck est le quantum de l’énergie que peut prendre une corde vibrante.
Valeur : 1,956 .10⁹ J soit environ 10¹⁹ GeV

Température de Planck

\displaystyle\mathbf{T_p=\frac{E_p}{k} = \sqrt{\frac{c^5.\hbar}{Gk^2}}}

La température de Planck peut être présentée comme la température la plus élevée qui ait un sens dans les théories physiques actuelles. Cette température maximale serait la température de l’Univers à l’instant qui marque la fin de l’ère de Planck
Valeur : 1,416 808 .10³² K

Longueur de Planck

\displaystyle\mathbf{l_p=\sqrt{\frac{G.\hbar}{c^3}}}

La longueur de Planck est le trajet parcouru par la lumière pendant le temps de Planck.
Valeur 1,62 .10^-35 m.
C’est le diamètre minimal d’une corde dans la théorie des cordes.

Temps de Planck

\displaystyle\mathbf{t_p=\sqrt{\frac{G.\hbar}{c^5}}}

Le temps de Planck ou « Chronon », est la durée de parcours de la longueur de Planck par un photon dans le vide.
Valeur 5,391 247 .10^-44 seconde

Ère de Planck

L’ère de Planck est cette période inconnue des premiers instants du Big Bang de 0 à 10^-44 seconde
L’univers, très petit et très dense, ressemblait à une « mousse quantique » (faute de mieux le qualifier). Durant cette ère :

• Les quatre forces fondamentales sont unifiées en une unique force.
• La notion d’espace-temps y est difficile à définir.
• La relativité générale comme la mécanique quantique ne s’appliquent plus.

L’instant zéro est une singularité où la température comme la densité seraient infinies. 
Stephen Hawking et James Hartle résolvent cette singularité en considérant que la notion de temps disparaît durant l’ère de Planck.

Univers fonction des paramètres de Planck

Temps température énergie de Planck

Longueur de Planck

Mesures au LHC

Complexe des accélérateurs du CERN

Le schéma ci-dessous représente le complexe des accélérateurs et des expériences déployés au CERN.
Le cheminement est le suivant :

• Les protons sont produits à partir d’atomes d’hydrogène dont on extrait les électrons.
• Les particules, sont tout d’abord accélérées à l’aide d’accélérateurs linéaires Linac2 qui leur donnera une énergie de 50MeV
• Puis les particules passent au PS Booster (PSB) où elles accéléreront à une énergie de 1.4GeV
• Puis passage au Proton Synchrotron (PS) jusqu’à ce qu’ils aient une énergie de 25GeV.
• Ensuite elles passent au Super Proton Synchrotron (SPS) où elles sont accélérées jusqu’à 450GeV
• Leur périple se termine au LHC qui les accélérera pendant 20 mn jusqu’à atteindre une énergie de 7TeV.
  Le LHC a une circonférence de 27 km.
• Les particules tournent en sens opposé dans 2 canaux qui conduisent chacun un faisceau de particules.
  L’énergie de collision est donc de 14TeV

Domaine de mesure

Le domaine de mesure des collisionneurs est celui des hautes énergies.

Ils nous permettent :

• De sonder la matière à plus petite distance par exemple 1 TeV correspond à des dimensions de l’ordre de 0,001fm
  (1 fm = 1 femtomètre = 1 fermi = 10^-15 m)
• De créer de nouvelles particules massives grâce à E=mc²
• D’étudier les très hautes énergies donc températures : 1 TeV correspondant à 10¹⁷ K 

Les accélérateurs sont les nouveaux microscopes pour étudier la matière du début de l’Univers.

Particules mesurées au LHC

Collision de Hadrons

La figure ci-dessous permet de comprendre le mécanisme de création des paires quark-antiquark (matière – antimatière) lors des collisions de hadrons à très haute énergie.

Diagramme de Feynman de la collision de hadrons à haute énergie

Le diagramme représente deux particules

• 2 protons (2 Quark Up, 1 Quark Down)

Les interactions suivantes sont représentées :

• Rupture de la chaine de force (gluon bleu)
  • Émission d’un rayonnement (photon et boson Z)
    • Le photon en état transitoire (\mathbf{\gamma^*}) se convertit en une paire
      anti-muon (\mathbf{\mu^+}) muon (\mathbf{\mu^-}).
  • Émission d’une paire quark, antiquark

Les 4 grandes expériences du LHC

Ces expériences utilisent des détecteurs géants enfouis sous terre dans lesquels les 2 faisceaux de particules vont collisionner. Les détecteurs servent à identifier les trajectoires des particules issues de la collision ce qui permet caractériser ces particules en les comparant à la prédiction du modèle. Ces détecteurs sont les évolutions ultimes des chambres à brouillard, des chambres à bulles et des détecteurs filaires.

ATLAS

Acronyme de A Toroïdal LHC ApparatuS
Forme cylindrique 25m de diamètre, 46m de longueur, 7 000 tonnes (poids de la Tour Eiffel).

ATLAS est installé dans une caverne à 100m de profondeur reliée par un puit à la surface par lequel les éléments d’assemblage et de maintenance sont transportés.
Objectif principal était de détecter le boson de Higgs ce qui fut réalisé en 2012. Il doit également permettre de valider ou invalider l’existence de particules SUperSYmétriques (SUSY) prédites par le modèle mais non détectées à ce jour ainsi qu’étudier des particules permettant de contraindre les modèles de matière noire.  

CMS

Acronyme de  Compact Muon Solénoïde
Le détecteur dans son ensemble mesure 29 mètres de long, 15 mètres de large et 15 mètres de haut.

Le Solénoïde compact pour muons (CMS) est un détecteur polyvalent installé sur l’anneau du LHC. Il a été conçu pour explorer un large éventail de domaines de la physique, allant de la recherche du boson de Higgs à celle d’autres dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la matière noire. Bien que ses buts scientifiques soient les mêmes que ceux de l’expérience ATLAS, la collaboration CMS a opté pour d’autres solutions techniques et un système magnétique de conception différente.

Le détecteur CMS est construit autour d’un énorme aimant solénoïde, qui se présente sous la forme d’une bobine cylindrique supraconductrice générant un champ magnétique de 4 teslas, soit environ 100 000 fois le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique créé est confiné par une « culasse » d’acier, qui constitue la pièce la plus lourde de ce détecteur de 14 000 tonnes.

ALICE

Acronyme de A Large Ion Collider Experiment
ALICE pèse 10 000 tonnes et mesure 26 mètres de long, 16 mètres de haut et 16 mètres de large. Il est installé dans une vaste caverne située à 56 mètres sous terre

ALICE est un détecteur spécialisé dans la physique des ions lourds. Il a été conçu pour étudier les propriétés physiques de la matière soumise à l’interaction forte, à des densités d’énergie extrêmes auxquelles une phase de la matière appelée plasma quarks-gluons se forme.

Les protons et les neutrons sont constitués de quarks liés entre eux par d’autres particules, appelées gluons.  Aucun quark n’a jamais été observé isolément :  les quarks, comme les gluons, semblent être liés entre eux de manière permanente et confinés dans des particules composites, telles que les protons et les neutrons. Ce phénomène est connu sous le nom de confinement.

Les collisions qui se produisent dans le LHC génèrent des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil. Tous les ans, sur certaines périodes, le LHC fait entrer en collision des ions plomb pour recréer en laboratoire des conditions similaires à celles qui prévalaient immédiatement après le Big Bang. Dans ces conditions extrêmes, les protons et les neutrons « fondent », libérant les quarks de l’emprise des gluons et formant ainsi le plasma quarks-gluons. L’existence de cette phase et, en particulier, ses propriétés sont, dans la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), des éléments-clés pour comprendre le phénomène de confinement et le problème de physique appelé restauration de la symétrie chirale. La collaboration ALICE étudie le plasma quarks-gluons pendant qu’il se dilate et se refroidit, observant comment il donne progressivement naissance aux particules qui constituent la matière de notre univers.

LHC-b

Acronyme de A Large Hadron Collider beauty experiment
Le détecteur de LHCb, qui pèse 5 600 tonnes, est constitué d’un spectromètre à petits angles et de détecteurs planaires. Long de 21 mètres, haut de 10 mètres et large de 13 mètres, il est installé à 100 mètres sous terre

L’expérience LHCb explore les légères différences qui existent entre matière et antimatière grâce à l’étude d’un type de particule appelé « quark beauté » ou « quark b ».
Au lieu d’utiliser un détecteur fermé au niveau du point de collision, tel que ceux d’ATLAS et de CMS, l’expérience LHCb a recours à plusieurs sous-détecteurs conçus pour observer principalement les particules émises « à petits angles », vers l’avant, dans le sens du faisceau.  Le premier sous-détecteur est placé à proximité du point de collision ; les autres se suivent sur une longueur de 20 mètres.

Le LHC produit une grande variété de quarks, qui se désintègrent rapidement en d’autres particules. Pour intercepter les quarks b, la collaboration LHCb a mis au point des trajectographes mobiles perfectionnés et les a installés au plus près de la trajectoire des faisceaux dans le LHC.

Architecture détaillée du détecteur ATLAS

Source CERN ATLAS

Le détecteur lui-même est un instrument à plusieurs couches conçu pour détecter certaines des particules les plus minuscules mais les plus énergétiques jamais créées sur terre. Il se compose de six sous-systèmes de détection différents enveloppés de manière concentrique dans des couches autour du point de collision pour enregistrer la trajectoire, la quantité de mouvement et l’énergie des particules, ce qui permet de les identifier et de les mesurer individuellement. Un énorme système d’aimants courbe les trajectoires des particules chargées afin que leur impulsion puisse être mesurée aussi précisément que possible.

Des faisceaux de particules voyageant à des énergies allant jusqu’à sept mille milliards d’électrons-volts (7 TeV), à des vitesses allant jusqu’à 99,999999 % de celles de la lumière, provenant du LHC entrent en collision au centre du détecteur ATLAS, produisant des débris de collision sous la forme de nouvelles particules qui s’envolent dans toutes les directions . Plus d’un milliard d’interactions de particules ont lieu chaque seconde dans le détecteur ATLAS.

Seule une collision sur un million est signalée comme potentiellement intéressante et enregistrée pour une étude plus approfondie. Le détecteur suit et identifie les particules pour étudier un large éventail de domaines physiques, de l’étude du boson de Higgs et du quark top à la recherche de dimensions et de particules supplémentaires qui pourraient constituer la matière noire.

Inner Detector

C’est la première partie d’ATLAS à observer les produits de désintégration des collisions.
Le Inner detector est très compact et très sensible.
Il se compose de trois systèmes différents de capteurs, tous immergés dans un champ magnétique parallèle à l’axe du faisceau.
Le Inner Detector mesure la direction, la quantité de mouvement et la charge des particules chargées électriquement produites lors de chaque collision proton-proton.

Les principaux composants du Inner Detector sont : le Pixel Detector, le Semiconductor Tracker (SCT) et le Transition Radiation Tracker (TRT).

Pixel Detector

SemiConductor Tracker (SCT)

Transition Radiation Tracker (TRT)

Calorimètres

Les calorimètres mesurent l’énergie qu’une particule perd lorsqu’elle passe à travers le détecteur. Ils peuvent arrêter la plupart des particules connues, à l’exception des muons et des neutrinos.
Ils sont conçus pour absorber la plupart des particules provenant d’une collision, les obligeant à déposer toute leur énergie et à s’arrêter à l’intérieur du détecteur. Les calorimètres d’ATLAS sont constitués de couches d’un matériau « absorbant » à haute densité qui arrête les particules entrantes, entrelacées de couches d’un milieu « actif » qui mesure leur énergie.

Les calorimètres électromagnétiques mesurent l’énergie des électrons et des photons lorsqu’ils interagissent avec la matière.
Les calorimètres hadroniques échantillonnent l’énergie des hadrons (particules contenant des quarks, tels que des protons et des neutrons) lorsqu’ils interagissent avec les noyaux atomiques.

Les composants du système de calorimétrie ATLAS sont : le calorimètre à argon liquide (LAr) et le calorimètre à tuiles hadroniques Tile Hadronic Calorimeter (THC).

Calorimètre à Argon Liquide (LAr)

Calorimètre Hadronique (THC)

Muon Spectrometer

Le Spectromètre à Muons identifie et mesure les impulsions des muons

Les muons sont des particules qui traversent généralement le détecteur interne et le calorimètre sans être détectées. Le spectromètre à muons est composé de 4 000 chambres à muons individuelles qui utilisent quatre technologies différentes.

Sous-sections du système à muons : chambres à fente mince Thin Gap Chambers (TGC), chambres à plaques résistives Resistive Plate Chambers (RPC), tubes à dérive Monitored Drift Tubes (MDT) et chambres à bande cathodique Cathode Strip Chambers (CSC).

Thin Gap Chamber (TGC)

Resistive Plate Chamber (RPC)

Monitored Drift Tubes (MDT)

Cathode Strip Chamber (CSC)

Trajectoires des particules dans le détecteur ATLAS

• Les photons n’ont pas de charge, ils suivent une trajectoire rectiligne, l’énergie de leur décomposition est absorbée par le calorimètre électromagnétique.
• Les électrons sont déviés par le champ magnétique, l’énergie de leur décomposition est absorbée par le calorimètre électromagnétique.
• Les protons sont déviés par le champ magnétique, l’énergie de leur décomposition est absorbée par le calorimètre hadronique
• Les neutrons n’ont pas de charge, ils suivent une trajectoire rectiligne, l’énergie de leur décomposition est absorbée par le calorimètre hadronique
• Les muons sont déviés par le champ magnétique, ils traversent le détecteur ATLAS, leur énergie est absorbée par le Spectromètre à muons
• Les neutrinos traversent sans déviation le détecteur ATLAS, ils ne sont pas détectés.