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Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié 1

Panorama des expériences: IN2P3-IRFU

Bruno MansouliéService de Physique des Particules IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers)Division des Sciences de la MatièreCEA / Saclay


IN2P3 et IRFU

• CNRS-IN2P3 : 21 labos

– Particules, Nucléaire, Astroparticules

– 510 chercheurs CNRS, 385 enseignants-chercheurs, 1600 ITA

• CEA-IRFU (ex DAPNIA): 1 labo

– Particules, Nucléaire, Astroparticules, Astrophysique

– 415 Ingénieurs et physiciens, 205 Techniciens

• Thématiques

– Particules: constituants et interactions élémentaires (∞ petit)

– Nucléaire: Noyaux atomiques, matière nucléaire (∞ complexe)

– Astrophysique: Corps célestes, univers (∞ grand)

• Interfaces (nombreuses!)

– Part /Nucl: Structure du proton, quarks et gluons, neutrinos réacteurs…

– Part / Astro : Cosmologie, matière noire, observatoires …

– Nucl /Astro : Nucléosynthèse, évolution étoiles…


Une façon de voir: évolution de l’univers

• Théorie du Big Bang:

– A t = 0 , univers très dense, très chaud,

distances très petites

– Puis: expansion: D ↑, ↓, T↓

– Age actuel de l’univers: ~ 13 ± 1 109 années

• Relation température/énergie

– dans un milieu en équilibre thermique, E cinétique particules : distribution de Boltzmann,

énergie moyenne ~ kT. Pour particules: 1 eV 11600 K

• Remonter dans le temps

– => univers de + en + dense et chaud , énergie des particules de + en + élevées => relation physique des particules/cosmologie.


Évolution de l’univers du Big Bang à aujourd’hui

• Temps Energie/température Physique

10-39 s 1019 eV= MPlanck Gravitation quantique: on ne sait rien! Cordes??Théorie « unique »

10-35 s 1016 eV Séparation interaction forte/électrofaiblequarks, leptons

10-10 s 100 GeV Séparation interactions EM et faiblequarks, électrons

10-6 s 1 GeV Les quarks s’assemblent en hadronspions, protons, neutrons…

3 min 1 MeV Formation des noyauxH, D, 3He, 4He, Li… +

électrons + photons

300 000 ans 1eV Formation des atomes

« Découplage » des photons => rayonnement fossile

Non thermalisé Formation des structures: galaxies,etc..

Naissance des étoiles…


Evolution: unification/séparation des forces

Quantum Gravity

Super Unification

Grand Unification

Electroweak Model

QED

Weak Force

Nuclear Force

Electricity

Magnetism

Maxwell

Short range

Fermi

QCD

Long range

Short range

Terrestrial Gravity

Celestial Gravity

Einstein, NewtonGalilei

Kepler

Long range

?

Universal Gravitation

Electro magnetism

Weak TheoryStandard

model

Theories: STRINGS? RELATIVISTIC/QUANTUM CLASSICAL

SU

SY

?

2 façons de voir:

- Evolution de l’univers dans le temps

- Aujourd’hui: structure de la matière à des échelles de plus en plus petites


Autre vision: sources de particules

• Cosmiques (observatoires, satellites)

– Photons (toutes longueurs d’ondes: radio… de 100 TeV)

– Neutrinos (Antares)

– Protons etc. (gamme d’énergie… de AMS à Auger…)

– Matière noire? (Edelweiss…)

• Radioactivité

– Naturelle (NEMO…)

– Artificielle (réacteurs 2-Chooz..)

• Accélérateurs– Très haute énergie: collisionneurs (TeVatron, LHC)

– Spécialisés (Jefferson, Babar, T2K....)

– Noyaux (Ganil, GSI, …)


Site, taille et type des expériences

• Très grandes collaborations, détecteurs multiples et complexes, 100-500 ME– Centres mondiaux: CERN : ex Atlas, CMS: 2000 physiciens. – Satellites

• Grandes collaborations, détecteurs « orientés », 20-100 ME– Cibles fixes: ex: Compass, Opera, 250 physiciens (CERN)– Physique nucléaire « intermédiaire » Ganil, GSI, …– Astroparticules: Antares, Auger (Argentine), Hess (Namibie)…

• Collaborations moyennes, détecteurs « pointus », 5-20 ME– Astroparticules: matière noire (Edelweiss), Double beta (NEMO)…– Neutrinos réacteurs– Physique nucléaire « légère »

• Petites expériences, prototypes, moins de 5 ME– Très variés: Codalema (IN2P3), Anti-hydrogène (IRFU)…


Technologies et moyens

• Diversité des utilisations, unité des technologies et méthodes

• Détection exemples:– Silicium: CMS (Cern LHC), Glast (satellite), Must (ganil)– Lumière: PM’s, APD…

• Mécanique– Légère et immatérielle! (détecteurs centraux, satellites…)– Lourde et stable (calorimètres, aimants, outillages).

• Electronique – Bas bruit, rapide, grand nombre de canaux, intégration

Micro-électronique: ex pipe-lines analogiques: ATLAS/Antares/Valorisation/T2K..

• Informatique– Calculs intensifs (CC-Lyon), Grille de calcul

• Accélérateurs, magnétisme, cryogénie


Physique des particules

• Thèmes principaux

– Collisionneurs haute énergie

• Energies élevées de collision

• Exploration de la matière aux plus petites échelles

• Temps les plus courts après le Big-Bang

– Violation de CP, matière-antimatière• Energies moyennes

• Intensités élevées => mesures effets très fins

• Asymétrie matière-antimatière: ingrédient essentiel

– Neutrinos

• Energies moyennes ou faibles (accélérateurs, réacteurs)

• Excellente sonde pour effets fins.


Collisionneurs haute énergie

• Physique: exploration, nouvelles particules (Higgs, Susy…), tests Modèle Standard– Aujourd’hui: le Modèle Standard est toujours confirmé!

• Succession d’accélérateurs de plus en plus puissants et de moins en moins nombreux!Filières: – e+- e- : LEP (1989 – 2000), futur : ILC (?)– p-p ou p-pbar: TeVatron (Chicago, 1992-), LHC (Cern, 2009-)

• LHC : machine mondiale . 20 ans de construction, >15 ans d’exploitation ?4 expériences: – ATLAS, CMS, (haute énergie: Higgs, Susy…)– ALICE (nucléaire: quarks, gluons)– LHCb (matière antimatière)

• IN2P3 dans les 4, IRFU: Atlas, CMS, Alice

– Aujourd’hui:~ 70 physiciens à l’IRFU~250 à l’IN2P3


Matière-antimatière

• Physique: légère asymétrie entre particules et antiparticules, découverte en laboratoire en 1964 (Nobel 1980) dans le système des mésons K.

• Probablement reliée à l’asymétrie originelle:

– Big-Bang: matière = antimatière => annihilation. Asymétrie => reste 10-9 de matière

Autorisée dans le Modèle Standard, mais mal comprise

• Cible fixe: exp NA48 au Cern(terminée 2004)

– Faisceaux de K. Résultat expérimental essentiel. Théorie?

• Collisionneur e+ e- moyenne énergie : Babar (Stanford, USA, terminée 2008)– Système des mésons B; nombreuses mesures.

• LHCb: Mésons B à LHC

• Futur: Super B-factory?

• R&D anti-hydrogène à l’IRFU (5 personnes!)

– Voir « tomber » l’anti hydrogène!? Source intense de positons, pièges, positronium, Cern AD


Neutrinos

• Neutrino particule un peu à part, sensible seulement à l’interaction faible, masse presque nulle…

Renouveau complet depuis ~10 ans: les neutrinos ont des masses, se mélangent!

Source d’asymétrie matière-antimatière dans l’univers?

• Radiactivité naturelle: NEMO (tunnel Modane)

– Le neutrino est-il sa propre antiparticule?

• Réacteur: Double-Chooz (centrale EDF) (2010-)

– 13, le dernier paramètre inconnu du mélange des neutrinos

avant l’asymétrie matière-antimatière (plus dur!)

• Faisceaux:

– Opera (Cern-> Gran Sasso) détecteur dédié; émulsions photos

– T2K (Japon, -> détecteur souterrain , 2010-)

Détecteur à eau géant Super-K, déjà découvreur du mélange…

dans les neutrinos atmosphériques (produits par cosmiques)


Physique Nucléaire

• Principales thématiques

– Structure et dynamique des noyaux

• Exploration de la « carte des noyaux » en particulier aux frontières

• Essentiel pour comprendre la nucléosynthèse

• Système complexe en interaction forte

– Plasma de quarks et gluons

• Etat particulier de la matière: quarks et gluons « libres »

• Théorie big bang: avant la formation des noyaux

– Structure du nucléon

• Nucléon: proton, neutron.

• Quarks et gluons en interaction forte: théorie difficile!

– Masse des hadrons, spin, distributions, corrélations…


Structure et dynamique des noyaux

• Exploration de la carte des noyaux aux extrêmes

– Limite en charge Z et masse A ?

– « Super-lourds » stables?

– Limite en moment angulaire?

– Processus astrophysiques?

• Essentiellement à Ganil

– Faisceaux d’ions

– Ions radio-actifs (Spiral)

– futur: Spiral2

• Détecteurs « facilities »

– Traces: INDRA, VAMOS, MUST…

– Gammas: Eurogam, Euroball…

• Futur: AGATASuperdéformé Octupolaire


Plasma de quarks et gluons

• Théorie des interactions fortes « QCD »:

à très haute température et densité, les quarks et gluons

forment un « plasma » où ils sont ~ libres.

• Nouvel état de la matière (nucléaire).

• Collisionneurs d’ions lourds

– RHIC (2000-), exp STAR et PHENIX

Collisions Au + Au

– Futur: LHC ( Pb-Pb) , exp ALICE• Premières données !


Structure du nucléon

• Nucléon: proton, neutron

• Assemblage de quarks et de gluons,

plus compliqué qu’il n’en a l’air!

– Masse du nucléon ~1 GeV

mais masse totale des quarks: 0.01 GeV !

– Spin nucléon: ½, mais spin total quarks ~.25 x (½) !

• Jefferson Lab (USA): e- (6 GeV, intense) sur p, d

– Plusieurs expériences dédiées.

– Corrélations quarks (« GPD »)

• Cern Compass: (IRFU seult)

– Muons sur cible polarisée

=> études spin, corrélations…


Astrophysique (IRFU)

• Cosmologie (voir astroparticules)– Origine et évolution de l’univers

• Formation et évolution des galaxies– Quand et comment se sont formées les grandes structures?

• Amas de galaxies, galaxies, environnement

– Quand et comment se sont formées les étoiles?• Poussière interstellaire, nuages moléculaires…

– Approche « multi-longueurs d’onde »– Satellites: X (Chandra, XMM), optique (JWST), Infrarouge (Spitzer, Iso, Herschel)– Sol : optique (Megacam, VLT(Visir), mm(Alma), radio(VLA)…)

• Formation des étoiles et planètes– Poussières, disques protoplanétaires– Planètes, anneaux de Saturne (Cassini-Huygens)


Astroparticules

• Cosmologie– Contenu énergétique de l’Univers Le mystère de la matière noire et de l’énergie noire:

• notre matière ordinaire : 4%• matière nature inconnue: 23%• le reste, 73% : énergie, mais pas de la matière!

(totalement incomprise pour la physique microscopique)

• Matière noire en direct– Détecter directement la matière noire de notre galaxie

• Sources cosmiques– Tous médiateurs: protons , photons , neutrinos , ondes gravitationnelles…

Étoiles

Matièrenoire

baryonique

Énergienoire

Matière noire

non baryonique


Cosmologie

• Contenu énergétique de l’univers?

– Géométrie de l’univers (lien géométrie-matière)

• supernovae lointaines (SNLS)

• Fond diffus cosmologique (Archeops, [WMAP], Planck)

• Oscillations baryons(LSST, Boss, BAO-Radio…)

• Déformations par effet gravité (JDEM ?)

– Modélisation• Simulations numériques (Horizon…)Formation des grandes structures,filaments, amas de galaxies…

Dépendance de la physique microscopique

(matière noire, interactions…)


Matière noire

• Détection indirecte: observations

– Comportement des amas de galaxies (XMM, MegaCam)

– Collisions de galaxies

– Recherche des produits d’annihilation (Hess)

– Effets optiques (microlentilles): EROS

– Cartographie par cisaillement gravitationnel(JDEM)

• Détection directe

– Matière noire: halo de notre galaxie

– Particules? Chocs sur noyaux

=> recul du noyau: ionisation, énergie…

Détecteurs ultra-sensibles: Edelweiss (Ge)…


Sources cosmiques

• Rayons cosmiques: témoins évolution univers

et ses objets, en particulier les plus violents…

(trous noirs, noyaux actifs de galaxies…)

– Energies extrêmes: Auger

– Photons haute énergie

• Hess (sol), GLAST (satellite)

– Neutrinos: Antares

– Ondes gravitationnelles: Virgo, Lisa

– Particules environnantes: AMS

Paris

Auger


Conclusion

• Cette présentation: « expériences ». Il y a aussi l’aspect « accélérateurs, cryogénie, magnétisme », sans oublier l’enseignement et la valorisation.

• IN2P3 et IRFU: forte unité intellectuelle sur « les lois fondamentales de l’Univers »

• Grande synergie des moyens techniques: n’hésitez pas à penser « transverse »!

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