lexpérience du cern: le rêve, moteur de l invention organisation européenne intergouvernementale...
Post on 04-Apr-2015
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L’expérience du CERN: le rêve, moteur de l’invention organisation européenne intergouvernementale dédiée à la recherche fondamentale
en Physique des Particules (PP)
20 pays membres européens.
Mais déjà labo mondial.
budget annuel ~ 1000 millions de FS
cf Hôpital de Genève ou ETH Zurich
fait ~ la moitié de la PP mondiale.
2500 employés: physiciens “applied”,
ingénieurs, techniciens.
7400 utilisateurs, de ~ 80 pays,
1/3 venant de pays non membres.
rôle important de formation des
jeunes, de promotion de technologies de pointe. 3/4 du budget “revient” à
l’industrie.
“gouvernance ” : Conseil et Direction. Comités scientifiques:
jugement des pairs. Défi de la gestion des grands projets et expériences
Accélération des particules “projectiles” : e±, p, p, etc
Collision entre projectiles:
l’énergie cinétique devient masse, “E = mc2”Des particules “neuves” sont créées
Notre travail: détection, mesure et identification de ces particules
Beaucoup de technologies de pointe nécessaires
pp
Que fait le CERN?
LEP
LHC
On guide et on “accélère”
On détecte
On trie et on analyse
supraconductivité, cryogénie He superfluide, soudures, etc
matériaux, surfaces, ultravide
métrologie, excellente résolution spatiale et temporelle, électronique rapide, durcie, bon marché
mécanique de hauteprécision, intégration
sélectivité ~ 107
volume à traiter ~ celui du réseau mondial de télécom en 2003volume à enregistrer ~ 10000Encyclopedia Britannica par s
ATLASou CMSau LHC
nombre de physiciens ~ 2000nombre d’instituts ~ 150nombre de pays ~ 50WEB, GRID, une gestionscientifique intelligente...
bulles
étincelles
premier W (1983)
LEP1989-2000
G.Charpak:révolution de 68
détecteurs proportionnels
multifils et leursvariantes Actuellement, montée en puissance des
détecteurs semiconducteurs au silicium
quark gluon
Que veut-on sélectionner?des collisions “dures” entre constituants des protons.leptons, jets (quarks, gluons) à grande “ impulsion transverse ”énergie transverse manquante (neutrino, particule nouvelle « invisible »)
etc... multi-jets,
leptons,photons
ATLAS
Atlas: événement dans le cas de “grandes” dimensions supplémentaires
Très haute luminosité, d’où:Forte irradiation Sélectivité extrême (107) Flux d’information gigantesque
EXEMPLE DE CMS250 m2 de détecteurs
micro-pistes en silicium20 millions de canaux
d’électronique80000 cristaux de tungstate
de plomb du fer récupéré des obus
des bateaux de guerre russes
109 interactions par seconde par seconde, un volume de
données égal à 10000Encyclopedia Britannica
un taux de données traitées par son “event builder”~ égal à celui du réseau
mondial de télécom en 2003
ATLAS introduction des pixelstoroïdes du tonneau au courant nominal
CMS solénoïde
OK à 4 Tesla début de la descente
Pourquoi si grand?
On veut atteindre la plus haute énergie possible pour produire les particules les plus lourdes et la longueur d’onde la plus petite pour sonder les structures les plus fines.
On doit courber les trajectoires par des champs magnétiques rayon de courbure ~ E / B angle de déviation ~ B L / E flèche ~ L2 B / E
Il est impossible à présent de réaliser plus de 9 Tesla dans les aimants de la machine, d’où la très grande circonférence du LHC.
Il est impossible d’obtenir plus de 2 à 4 Tesla dans les grands aimantsdes expériences. Il est également impossible de mesurer la flèche d’une trajectoire à mieux que 100 microns environ. Donc une mesure précise de l’énergie réclame une grande longueur de champ magnétique et donc de très grandes tailles d’aimants.
de la détection des photons, pour le boson de Higgs, à la tomographie
du marquage de la beauté à l’imagerie
LIBO, pour la hadronthérapie du cancer
Le WEB, puis la Grille
(LHCG, EGEE, OpenLab)
l’ultravideamplificateur d’énergie
entrée de
courantchaude
Un super-microscope: ~ 1/E “la faute à de Broglie ”
leptons
quarks
univers transparent
380000ans
“archéologie” de l’universquelles furentses transitions
de phase?pourquoi
quelque choseplutôt que rien?
LHC2007
Les objets de nos études
grandeunification
2008
On a compris quels sont les constituantsde la matière, quarks et leptons, répétés en trois “familles”. Ils sont qualifiés d’ “élémentaires” parce que, jusqu’à 10–4 de la taille du proton (10–17 cm), ils semblent ponctuels. Ce sont des “fermions”
On a compris comment ils interagissent, en échangeant des particules appelées bosons, comme le photon. Nous avons compris que les forces électromagnétique et faible ont la même structure et, en un sens, sont unifiées (Nobel 84, entre autres). Nous avons compris les spécificités de la force forte (Nobel 2004).
C’est le contenu du “Modèle Standard”, calculable et triomphalement validé.
Nous soupçonnons fortement ces trois forces d’être“unifiées” à très haute énergie (1016 GeV), c’est à dire très tôt après le Big Bang (10-33 s)
charme
beauté
Alors, qu’est-ce qui ne va pas?
A l’échelle du TeV des secteurs du MS “explosent” (probabilités > 1).Quelque chose de nouveau doit les calmer: boson de Higgs ou équivalent.
Le MS a un problème de “hiérarchie” ou de “règlage fin”Quelque chose doit stabiliser la hiérarchie ou expliquer l’apparent règlage fin. La Supersymétrie?
Le MS est bizarre: par ex. pourquoi trois familles? Elles sont nécessaires à l’asymétrie matière-antimatière, donc à notre existence. Chercher une symétrie plus grande?
Le MS ignore la force de gravitation. La Supergravité?
Des faits expérimentaux poussent à compléter le MS: unification des couplages, masse non nulle des neutrinos: Grande Unification?
La Matière Noire. De quoi s’agit-il? Supersymétrie?
L’Energie noire??
mathématiquement possible...mais rien de tel dans notre monde...
...si elle existe, la Supersymétrie est une “symétrie brisée”
LA SUPERSYMETRIE
LE LHC NOUS DIRA SI CELACORRESPOND A LA REALITEOU RESTE UNE BELLE IDEE
La Supersymétrie (SUSY pour les intimes) présente beaucoup de progrès
par rapport au Modèle Standard.
Elle corrige certains de ses défautsde cohérence les plus graves.
En outre elle pourrait apporterla réponse au problème de la Masse Cachée de l’Univers.
Baryogénèse: asymétrie matière–antimatière, clé de notre existence: quand s’est-elle jouée?
L’Univers “liquide parfait” à cet instant?
~ 10–11 s: brisure de la symétrie électrofaible, les particules
acquièrent leur masseHiggs, ou mécanisme équivalent?Supersymétrie et matière noire?“Grandes” extra dimensions?
~ 10–33s: Grande Unification? instabilité du proton?
~ 10–44s: temps de Planck, Supercordes?
expérience ALICEau LHC
A priori, lois physiques symétriques entre matière et antimatière, qui auraient du s’annihiler.Pourtant l’Univers (et nous) sommes là, faits de matière. L’antimatière semble avoir disparu.
Une des clés est une très légère asymétrie de l’interaction faible entre matière et antimatière, appelée violation de la symétrie CP.
L’expérience LHCb va en continuer l’étude.
Le scénario exact sera difficile à déterminer.
LHCb
CP
La physique des particules nourrit la cosmologie en lui fournissant les forces et constituants à considérer au cours de l’évolution de l’Univers. Inversement la cosmologie est une science observationnelle de ce labo remarquable qu’est l’Univers! Via quels messagers? Rayonnement électromagnétique, rayons cosmiques. Dans un futur proche: ondes gravitationnelles, neutrinos. Que voit-on? Un univers plat (euclidien),très homogène (jadis), ayant subi unephase d’“inflation”.
platfroid (2.73°K) T/T~10–5
Nobel 2006
L’expansion de l’Universsemble s’accélérer. Mystère!“Energie noire”, “ constante cosmologique”, ou artefact
du à l’inhomogénéité actuelle de l’Univers?
Le meilleur candidat est la particule la plus légère de la Supersymétrie, stable et “fossile” dans l’Univers.
La découverte de la Supersymétrieferait donc d’une pierre deux coups.
étoiles, poussières
rotation desgalaxies
Un problème majeur et peut-être une solution:
Mécanique quantique et Relativité générale ne font pas bon ménage. A l’approche de l’échelle de Planck il faut pourtant qu’elles s’entendent. Divergences (infinis): le point semble être une fâcheuse abstraction. L’idée est de bâtir le monde à partir d’objets de taille finie. C’est la théorie des Supercordes (G.Veneziano, J. Scherk, etc).
Cette théorie n’est viable que dans un espace à 10 ou 11 dimensions. Notre monde a trois dimensions d’espace. Où sont les autres? “Compactifiées”. A quelle taille? Entre 100 microns et la longueur de Planck (10–33cm). La limite dépend de quelles forces et objets ont accès à ces dimensions supplémentaires.
Si tu ne vas pas à Planck, Planck viendra à toi
ex.1: la gravité semble faible parce qu’elle est la seule à se diluer dans les extradimensions
ex.2: la gravité semble faible car elle reste localisée près d’une “brane” qui n’est pas la nôtre
Lisa Randall
nombre de possibilités de
compactifications ~ 10500
A chaque point de l’espace-temps,attacher un espace supplémentaire
sphère
espace à 6 dimensions
vue d’artiste
Associé à l’idée d’inflation permanente, cela veut dire qu’autant d’univers, avec des jeux de paramètres différents, ont été “essayés”. Nous sommes dans un univers qui a “réussi”.Avec autant d’essais, inutile de se poser laquestion d’un règlage fin. Un tournant dans lascience?
spéculations....
Le “multiverse” et une sélection de type “anthropique”? Aucune référence à un “grand dessein”. Mais notre science changerait de perspective.Les résultats du LHC seront cruciaux: validation ou non d’une théorie “explicative” comme la Supersymétrie? De telles “explications” ont déja eu lieu en physique moderne: par exemple invention et découverte de l’antiparticule.Argumentation anthropique ou non, il n’en reste pas moins que nous devons comprendre la cohérence de “notre” univers. Par exemple le problème de la constante cosmologique.
LA PHYSIQUE DES PARTICULES N’EST PAS UN ROMAN…Excellentes relations avec le Vatican…
Oui, les antiparticules existent et on en produit autant que de particules. Mais les antiprotons sont rares. Concentrer, ralentir et stocker des p dans une “bouteille électromagnétique” est biencompliqué et de rendement infinitésimal.
En 1996, sur l’anneau LEAR, quelques atomes d’antihydrogène furent créés. En 2002, sur l’AD (Anneau de Décélération) on en a fait quelques 104. A ce rythme il faudrait 25 1015 années pour remplir un ballon d’enfant d’antihydrogène. Si même on savait stocker toute l’antimatière jamais produite au CERN et l’annihiler cela ne tiendrait allumée une ampoule électrique que quelques minutes. Pour faire la bombe du roman il faudrait ~ 2 109 années de fonctionnement.
ModèleStandard
théorie effective valable jusqu’à
extradimensions de “grande taille”
solutions au “petit problème” de hiérarchie:
le “Petit Higgs”, …
davantage de symétrie: Supersymétrie, Grande Unification
nouvelles forces et/ounouveaux constituants:
brisure “forte” de la symétrie électrofaible,
Technicouleurdésaccord avec les mesures de précision?
mh2 logarithmique en
l’échelle de Planckà plus basse énergie?
on “oublie” les problèmes de
hiérarchie“Split SUSY”,
argumentsanthropiques
top
Higgs
SUSY
dimensionssupplémentaires
difficile!
x
masse
ETmiss masse
masse
Comment s’est brisée la symétrie électrofaible?Le photon est de masse nulle, le Z0 pèse 91 GeVComment les particules ont-elles acquis leur masse?Par le mécanisme de Higgs, ou par une alternative?
Y a-t-il Grande Unification?
La Supersymétrie légère est-elle une réalité?
Quelle est la nature de la matière noire?
L’espace a-t-il de “grandes” dimensions supplémentaires?
Où est passée l’antimatière? Pourquoi quelque chose plutôt que rien?
Le LHC le dira
durée de vie du proton?
Le LHC le dira
Le LHC le dira peut-être
Le LHC le dira peut-être
Usines à Beauté,LHC, physiquedes neutrinos?
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