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Pourquoi faire ?
L'expérience Atlas a essentiellement deux
objectifs:
- comprendre
l'origine
de la masse (recherche puis étude du boson de
Higgs);
- observer la matière avec un
grossissement
jamais atteint jusqu'à présent pour rechercher des
phénomènes
nouveaux ou des objets inconnus.
Comment ?
Le détecteur Atlas étudie ce qui
se passe lors de la collision de deux protons à très
haute
énergie. Ces protons sont accélérés par
le plus puissant accélérateur du CERN, le LHC
.
Comme ces collisions sont les plus énergétiques jamais
réalisées, les physiciens espèrent
découvrir
des phénomènes nouveaux ou des objets inconnus permettant
de mieux comprendre la structure de la matière. De plus, les
théoriciens
prédisaient que ces collisions permettraient d'observer le boson de
Higgs, permettant de comprendre l'origine de la masse, ce qui a été fait
en 2012, mais il faut maintenant étudier ses propriétés pour
mieux le comprendre et être certains qu'il se comporte exactement comme prévu.
A quoi ressemble Atlas ?

||Le détecteur Atlas
est une immense
machine de 22 mètres de diamètre et de 44 mètres
de
long. Il pèse environ 7000 tonnes et est situé dans une
caverne
à une centaine de mètres sous terre, près de
Genève.

C'est un assemblage complexe de différents
éléments
permettant de détecter et de mesurer plusieurs
propriétés
(charge électrique, quantité de mouvement,
énergie)
des particules créées lors de la collision des protons.
L'ensemble
du détecteur Atlas contient environ 100 millions de cellules de
détection indépendantes (100 méga-pixels).
Chaque collision de deux protons produit plusieurs dizaines de particules et le LHC produit
au sein d'Atlas environ
un milliard de collisions par seconde ! Il faut donc une puissance de
calcul gigantesque pour trier et analyser toutes les informations
produites
par le détecteur Atlas...
Pour en savoir plus...
Où en est l'expérience ?
La première phase, de conception de
l'expérience, a commencé environ en 1993 et s'est achevée en 2008,
avec la fin de l'assemblage du détecteur. Entre le printemps 2009 et la fin de l'hiver
2013, le détecteur a été en phase de prise de données,
d'abord de particules cosmiques puis de collisions proton-proton produites par le LHC (et aussi quelques
collisions d'ions de plomb pendant quelques mois).
Après une phase de maintenance en 2013 et 2014, le détecteur a de nouveau enregistré
les collisions du LHC de début 2015 à fin 2018. Il va maintenant être amélioré
avant la reprise des collisions, prévue en 2021 (voir le programme du LHC ci-dessous).
Quelles contributions au détecteur dans l'équipe Atlas@Clermont ?
Depuis la création d'Atlas (1992), nous avons une implication forte sur la conception, la construction
(par exemple les super-tiroirs
) et maintenant le fonctionnement
et la maintenance
du détecteur. Nous travaillons aussi activement à la préparation des
améliorations prévues
en 2024 (TileCal
et HGTD
). En effet, pour être livrés
en 2024, les nouveaux systèmes doivent avoir été produits bien avant et les premiers prototypes ont
déjà été testés depuis plusieurs années !
Quelle physique étudions-nous dans l'équipe Atlas@Clermont ?
Depuis 1994, l'équipe Atlas@Clermont est activement impliquée dans la physique du
quark top
.
Pourquoi faire ?
Le but du LHC est de sonder la matière
à
une échelle encore jamais atteinte, c'est à dire observer
des détails beaucoup plus petits que tout ce qui a
été
observé jusqu'à présent.
Comment ?
Le LHC réalise des collisions entre deux
protons. Chaque proton est accéléré à une
vitesse proche de celle de la lumière (un peu moins de 300 000 km
par seconde), jusqu'à une énergie de 6,5 TeV actuellement :
c'est l'énergie d'un moustique lancé à
la vitesse de 4 km/h. Cela semble peu, mais un
moustique contient environ mille milliards de milliards de protons, or dans le LHC cette énergie
est contenue dans chaque proton !
Les collisions ainsi produites sont les plus énergétiques
jamais réalisées artificiellement, ce qui est équivalent à
observer la matière avec une précision jamais atteinte
jusqu'à
présent. Quatre expériences étudient ces
collisions:
Alice, Atlas
, CMS
et LHCb.
A quoi ressemble le LHC ?

||Le LHC est un gigantesque
accélérateur
de particules situé sous la frontière franco-suisse,
près
de Genève. Il a une circonférence de 27 km et est
placé dans un tunnel à une profondeur d'une centaine de
mètres.
La photo ci-contre est une vue aérienne de la région : on
peut voir à droite les pistes de l'aéroport de
Genève.
Les cercles blancs représentent la position des
différents
tunnels du CERN, le plus grand étant celui du LHC.

Pour en savoir plus:
Où en est l'accélérateur ?
Le LHC a démarré le 20 novembre 2009. Trois jours plus tard, les premières
collisions proton-proton à 900 GeV (deux protons de 450 GeV chacun)
ont été enregistrées dans
Atlas. A partir du 30 mars 2010, le LHC a produit des collisions proton-proton à 7 TeV :
il est devenu le collisionneur le plus puissant au monde.
De plus, pendant environ un mois chaque année, le LHC
produit aussi des collisions entre des ions de plomb ou entre un proton et un ion
de plomb.
On distingue plusieurs phases dans le fonctionnement du LHC :
- Le Run 1, de mars 2010 à début 2013, avec :
- des collisions à 7 TeV en 2010 et 2011,
- des collisions à 8 TeV en 2012.
- Le Long Shutdown 1, de mars 2013 à fin 2014, pendant lequel le
LHC a été en phase de modification, afin d'augmenter l'énergie
maximale des protons de 4 à 6,5 TeV.
- Le Run 2, de début 2015 à fin 2018, avec des collisions à 13 TeV.
- Le Long Shutdown 2, en 2019 et 2020, pendant lequel le LHC sera amélioré,
pour passer l'énergie des protons à 7 TeV et, surtout, augmenter le nombre de collisions
produites chaque seconde.
- Le Run 3 doit durer trois ans (2021-2023), avec des collisions à 14 TeV.
- Le Long Shutdown 3, de 2024 à 2026, avec une nouvelle amélioration prévue
en terme de nombre de collisions par seconde.
- Le Run 4 doit commencer en 2026...
Les particules élémentaires

La structure de la matière à petite échelle est actuellement
décrite par le modèle standard (MS), théorie qui explique la
composition et le comportement de la matière connue. Dans le MS, la
matière est formée de particules élémentaires
(c'est-à-dire impossible à casser), comme les électrons,
les neutrinos ou les quarks. De plus, les interactions (électromagnétisme,
interactions faible et forte) sont expliquées comme des échanges de
particules de rayonnement (photon, gluon, bosons W et Z) entre les particules de
matière précédentes.

A toutes ces particules, il faut ajouter le boson de Higgs, découvert en 2012 par Atlas et CMS,
qui semble être responsable de la masse des particules. Ayant été découvert
très récemment, il est encore étudié avec attention.
Les protons et les neutrons, particules constituant le noyau des atomes, sont
formés de quarks et de gluons, essentiellement des quarks up
et down. Le quark top est un cousin de ces derniers, beaucoup plus massif
et fugace.
Pour en savoir plus sur la
structure de la matière...
Pourquoi étudier le quark top ?
Le quark top est la dernière particule de matière massive à avoir
été découverte, en 1995. Ainsi, toutes ses propriétés
ne sont pas encore connues, ou du moins mesurées expérimentalement. Il est
donc indispensable de réaliser ces mesures afin de vérifier la validité
du modèle standard.
De plus, le quark top a une masse extrèmement grande, ce qui est assez surprenant et
inexpliqué. Il est donc possible qu'il soit lié à des phénomènes
nouveaux et non prévus par le modèle standard, ce que les physiciens des
particules appellent la ``nouvelle physique''.
L'équipe Atlas@Clermont travaille sur des analyses liées au quark top.
L'équipe a d'abord travaillé sur la mesure des propriétés
du quark top (masse, section efficace de production tt̄), avant de s'orienter
principalement sur la recherche de nouvelle physique dans des événements
contenant entre un et quatre quarks top. L'équipe étudie aussi le couplage
entre le quark top et le boson de Higgs et a participé à la première
observation directe de ce couplage en 2018.
Toutes ces activités sont décrites ici
.