MASTERCLASSES 2016 à l’École Polytechnique

Le jeudi 10 mars 2016 nous avons participé aux Masterclasses 2016, à l’Ecole polytechnique, dans le cadre de notre projet scientifique, MixiSciences. http://polywww.in2p3.fr/deuxieme-session-pour-les-masterclass-2016-de-physique-des-particules
Au cours de cette journée, nous avons eu plusieurs activités intéressantes, telles que des conférences et des exercices de physiques interactifs.
Nous avons vécu cette expérience avec un autre lycée, Notre Dame de Sion, basé à Evry.

A notre arrivée vers 8h30 à l’École Polytechnique, Christophe Thiébaux nous a reçu avec un copieux petit déjeuner, de quoi bien commencer la journée ! Après ceci, nous sommes allés dans l’amphithéâtre pour assister à des conférences. Tout d’abord, Christophe THIEBAUX nous a présenté la prestigieuse Ecole Polytechnique ainsi que le programme de la journée : https://indico.in2p3.fr/event/12548/session/1/contribution/0/material/slides/0.pdf

Ensuite, François ARLEO nous a expliqué « Le modèle standard ». Il est remonté jusqu’à la composition d’un atome en nous énumérant les particules subatomiques qui le composent : Up, Quarks, Down Quark (il y a en tout 6 saveurs !) ainsi que les Muons, le Tau, les Neutrinos (aussi appelés les Leptons…) qui constituent ce qu’on appelle « Le modèle standard ». Après quelques éclairages sur la structure de l’atome, François ARLEO a détaillé les interactions fondamentales entre les particules : il y a d’abord la gravitation, l’interaction électromagnétique (agit sur des particules chargées), l’interaction faible (responsable de certains processus radioactifs) puis l’interaction forte qui soude les quarks constituant les protons. A chaque interaction sont attachés un ou plusieurs bosons dont par exemple le graviton pour la gravitation.

Une présentation du LHC et du CMS par Philipp PIGARD a suivi. 
Le LHC (Grand Collisionneur de Hadrons) que nous avions visité lors du séjour d’études à GENEVE, est un anneau de 27 kilomètres, enterré à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse. 
Il est désormais le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Des protons de très haute énergie circulant dans deux faisceaux qui tournent à contre-sens se collisionnent les uns aux autres, dans le but de rechercher des indices sur la matière noire et sur l’origine de la masse des particules élémentaires. Les faisceaux se composent des paquets contenant des centaines de milliards de protons chacun. Ils se déplacent quasiment à la vitesse de la lumière après avoir été injectés, accélérés, et maintenus en circulation pendant des heures, guidés par des milliers d’aimants puissants. Les faisceaux voyagent dans deux lignes sous vide séparées et se heurtent en quatre points d’interactions particuliers, cœur des expériences principales (dont le CMS). L’énergie des protons est transformée au moment du choc en une multitude de particules, que les détecteurs de ces expériences captent pour exploitation par les chercheurs. Les détecteurs pourront « voir » jusqu’à 600 millions de collisions par seconde et les données sont analysées pour y trouver les signes d’événements extrêmement rares, tels que la formation du très recherché boson de HIGGS.

Grâce au LHC, la Science a fait un grand pas dans l’infiniment petit. 
Ce collisionneur est aussi une formidable machine à remonter le temps pour essayer de comprendre les premiers instants de l’Univers.

Le CMS (Compact Muon Solenoid) est une des quatre expériences liées au LHC. Il a permis de découvrir des nouvelles particules élémentaires comme le BOSON de HIGGS, une particule dont l’existence, postulée indépendamment en 1964 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble, permet d’expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d’autres n’en ont pas.

Le CMS a permis aussi de trouver des particules symétriques ou de mettre en évidence des dimensions supplémentaires de l’espace. Ce détecteur est immense puisqu’il mesure 21,5 mètres de long, 15 mètres de diamètre, 12 500 tonnes. Le CMS doit reconnaître avec exactitude et finesse chaque type de particule produite et sélectionner les événements intéressants. Pour mesurer l’énergie des particules, le champ magnétique créé doit être d’autant plus puissant que les particules à mesurer sont énergétiques. C’est pourquoi CMS a conçu un aimant aussi puissant, lui permettant une très bonne qualité de mesure de toutes les particules.

Une fois la présentation très riche du LHC et du CMS achevée, nous avons pu échanger avec les chercheurs lors d’une pause pour ensuite poursuivre sur la découverte du boson de Higgs présentée par Ludvik DOBRZYNSKI.
Le 4 juillet 2012, les expériences ATLAS et CMS, menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ont annoncé qu’elles avaient toutes deux observé une nouvelle particule dont la masse se situait dans la région des 126 GEV.

Cette particule présente des caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs prédit par le Modèle standard. Le boson de Higgs, tel que le décrit ce modèle, est la manifestation la plus simple du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Le 8 octobre 2013, le prix Nobel de physique a été attribué conjointement à François Englert et à Peter Higgs pour la découverte théorique d’un mécanisme contribuant à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques, une théorie qui s’est confirmée récemment, lorsque les expériences ATLAS et CMS, menées au Grand collisionneur de hadrons du CERN, ont découvert la particule prédite. » En combinant leurs analyses des données recueillies en 2011 et 2012, ATLAS et CMS sont parvenues à obtenir l’image la plus nette à ce jour de ce nouveau boson. Les résultats sont les plus précis qui soient notamment en ce qui concerne les modes de production et de désintégration de la particule et la manière dont celle-ci interagit avec d’autres particules. De plus, il existe aussi différents moyens de produire un boson de Higgs, et différentes manières pour un boson de Higgs de se désintégrer en d’autres particules. Par exemple, d’après le Modèle standard, la théorie qui décrit le mieux les forces et les particules, lorsqu’un boson de Higgs est produit, il devrait, dans environ 58 % des cas, se désintégrer immédiatement en un quark et un antiquark.

En fin de matinée, suite à la présentation de l’exercice que nous allions réaliser plus tard dans la journée, nous sommes partis déjeuner au salon d’honneur de l’Ecole polytechnique.

En début d’après-midi, par binôme, nous avons analysé (dans les salles informatiques) des données réelles enregistrées par l’expérience CMS, qui examine des collisions entre protons délivrés par le grand collisionneur LHC du CERN à des énergies jamais atteintes auparavant. Cet exercice de physique interactif était très intéressant, nous devions analyser environ une cinquantaine de collisions tout en repérant s’il s’agirait d’un photon, d’un boson W+, W- ou Z0 ou encore du fameux boson de Higgs ! Tous les résultats ont été mis en commun pour être analysés en réunion plénière.

Enfin à 16h00 une visioconférence en anglais a eu lieu entre le CERN, différents lycées d’Europe comme celui d’Helskinki en Finlande, celui de Lyon en France un lycée en Espagne, et nous à Palaiseau. Nous avons alors pris tour à tour la parole chacun pour présenter nos résultats trouvés à la suite de l’exercice puis les avons commentés et comparés.

Cette journée d’échanges, d’apport de nouvelles connaissances et de découvertes fût pour nous des plus passionnantes.

Rédigé par Juliette BIOUT, Enora SALIC et Merwan BAOU (TS7)