croque-hubert #1 la physique (auprès) des accélérateurs, kossé ça donne?

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Croque-Hubert #1La physique (auprès) des

accélérateurs, kossé ça donne?

par Sylvie Brunetétudiante au doctorat, UdeM

(physique des particules, BaBar)16 novembre 2006

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Croque-Hubert : PKOI???? Ce qui m’a donné le coup de pied au … nécessaire:

vous, étudiants de 2e année!… qui avez demandé à M. Zacek si c’était

vrai …

« …que la physique des « …que la physique des accélérateurs n’avait accélérateurs n’avait

rien apporté de rien apporté de nouveau à la physique nouveau à la physique des particules, qu’elle des particules, qu’elle

n’avait que confirmé ce n’avait que confirmé ce qu’on savait déjà »qu’on savait déjà »

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Croque-Hubert : PKOI???? Bonne occasion de:

- ressusciter les « croque-quarks » du bon vieux temps de mon BAC

- utiliser la popularité d’Hubert Reeves pour vous intéresser davantage au sujet

- vous parler un peu de ce qu’on fait au doctorat

- vous jaser de la physique des particules de façon relaxe, informelle et vulgarisée (ne vous gênez pas pour m’interrompre si vous avez des questions!)

- manger des beignes (sur le bras du département!)

44

Intro : mon parcours CEGEP au Vieux-Montréal

- DEC en Arts Plastiques- DEC en sciences de la Nature

BAC en physique à l’Université de Montéal (98-01)Début de la maîtrise dans l’expérience BaBarBaBar en 2001avec Paul Taras, Passage direct au doctorat en 2002

- En tout, ai passé 3.5 ans en Californie, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), ou est située l’expérience BaBarBaBar

(Fin du doctorat prévue pour la fin de l’année, début 2007- yé!)

Pour communiquer avec moi: V-236, [email protected]

??

55

Le SLAC: Stanford Linear Accelerator center

San FranciscoSan Francisco

Las VegasLas VegasLos AngelesLos AngelesSan DiegoSan Diego

SLAC (Université de Stanford)

Palo Alto

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Mini album photo : Le SLAC

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Mini album photo : Le SLAC SLAC, Californie… Nature exceptionnelle, soleil éternel…

Mais aussi un bouillonnement incroyable pour la science: labo international, plein d’experts, de gens ultra compétents et motivés…

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Retour sur les dires de Hubert Reeves

Indignation!!!... Mais PKOI???

« la physique des accélérateurs n’a rien « la physique des accélérateurs n’a rien apporté de nouveau à la physique des apporté de nouveau à la physique des

particules, elle n’a que confirmé ce qu’on particules, elle n’a que confirmé ce qu’on savait déjà »savait déjà »

99

Retour sur les dires de Hubert Reeves Au niveau « philosophique/éthique »

Jamais bon (à mon humble avis) de tirer dans le pied d’une autre

discipline…

1010

Retour sur les dires de Hubert Reeves

C’est vrai que plusieurs des prédictions ont été vérifiées en physique des particules

mais…

C’est en général considéré comme un énorme succès!

ET SURTOUT:

On ne peut se baser sur des hypothèses sans les vérifier expérimentalement… C’est une base fondamentale de l’approche scientifique!!!

1111

Retour sur les dires de Hubert Reeves La théorie et l’expérimental se nourrissent continuellement!

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Retour sur les dires de Hubert Reeves Au niveau scientifique…

La physique auprès des accélérateurs nous a apporté beaucoup (et continue de le faire… même sur les neutrinos !)

• Je le crois

• d’autres étudiants le croient

• d’autres profs le croient…

Mais bon… qui sommes-nous à vos yeux pour contredire M. Reeves? ;-)

Laissons donc les faits parler…

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Ze PlanZe PlanMon « but »: Vous prouver que la physique auprès des

accélérateurs a donné/donne/donnera quelque chose… • Quelques considérations historiques

• « Bref » Survol du Modèle Standard

• La physique des accélérateurs, kossé ça (a) (va) donne (é) (er) ?…• Le présent: Les neutrinos• Le passé: Belles réussites du Modèle Standard• Le présent: Les cosmétiques• Le présent: La différence matière-anti-matière• Le présent, le futur: Recyclage des accélérateurs • Le futur: Ce qui manque encore au modèle Standard

• Sondage auprès des profs

• Conclusion

• Réaction de M. Reeves aux Croque-Hubert(cette présentation sera disponible sur le site web des Croque-Hubert très bientôt)

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Le Modèle Standard (’70)

Le Modèle Standard: Décrit les particules fondamentales et leurs interactions

Tente de répondre aux questions fondamentales:« De quoi le monde est-il fait?»« Qu’est-ce qui tient tout ensemble?»

Information vulgarisée intéressante sur la physique des particules:http://www.particleadventure.org/

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Historique incomplet de la physique des particules

Une histoire somme toute assez récente…

Accélérateurs departicules

Modèle Standard

PRIX NOBEL RELIÉS À LA PHYSIQUE DES PARTICULESPRIX NOBEL RELIÉS À LA PHYSIQUE DES PARTICULES

2006 - John C. Mather, George F. Smoot 2005 - Roy J. Glauber, John L. Hall, Theodor W. Hänsch 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman 1995 - Martin L. Perl, Frederick Reines 1992 - Georges Charpak 1990 - Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, Richard E. Taylor 1988 - Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger 1984 - Carlo Rubbia, Simon van der Meer 1980 - James Cronin, Val Fitch 1979 - Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1976 - Burton Richter, Samuel C.C. Ting 1969 - Murray Gell-Mann 1968 - Luis Alvarez 1965 - Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman 1961 - Robert Hofstadter, Rudolf Mössbauer 1960 - Donald A. Glaser 1959 - Emilio Segrè, Owen Chamberlain 1958 - Pavel A. Cherenkov, Il´ja M. Frank, Igor Y. Tamm 1957 - Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee 1950 - Cecil Powell 1949 - Hideki Yukawa 1948 - Patrick M.S. Blackett 1939 - Ernest Lawrence 1936 - Victor F. Hess, Carl D. Anderson 1935 - James Chadwick 1927 - Arthur H. Compton, C.T.R. Wilson 1923 - Robert A. Millikan 1921 - Albert Einstein 1906 - J.J. Thomson 1903 - Henri Becquerel, Pierre Curie, Marie Curie 1901 - Wilhelm Conrad Röntgen

1616

Particules:

Ont aussi leur partenaire Anti-particule!

Forces:

1

0.0073

10-9

10-38

É-M: entre particules chargéesForte: entre les quarksFaible: lors de la désintégration de particules massives

Bref Survol du Modèle Standard

protons et neutrons:composés de quarks

u et d

1717


Masses Relatives

desParticules:

J’ai trouvé sur le web… le ZOO du M.S.!

1818


Donc… le Modèle Standard (dont le véritable

langage est la théorie des champs quantiques) est une théorie (assez simple) basées sur les

symétries de la nature qui explique énormément de phénomènes observés en physique des particules avec… une

précision incroyableprécision incroyable.

MAIS…

1919


MAIS! Il ne s’est pas bâti uniquement à coups de

réflexions

Le MS est issu des échangesThéorie-Expériences

Découverte des électrons, noyaux, protons, neutrons etc… Expérimentation & compréhension de l’électromagnétisme Observation de la radioactivité Observation des pions (couronnement de la théorie de Yukawa) Découvertes des premiers quarks dans les années 60etc, etc, etc…

Les théories ne sont pas définitives et se modifient au fil des résultats expérimentaux

2020


MAIS! Il n’explique pas tout

Plusieurs mystères demeurent…Pourquoi 3 générations de particules?

Pourquoi vivons-nous dans un monde de matière et non d’anti-matière?De quoi est constituée la matière sombre?Pourquoi les particules ont-elles la masses qu’elles ont?Est-ce que les quarks et les leptons sont vraiment des particules fondamentales?De quel type est la masse des neutrinos?Pourquoi la gravité est elle si faible par rapport aux autres forces? Doit-on rêver de la grande unification?etc etc …

2121


MAIS!Il contient plusieurs paramètres dont il ne prédit pas la

valeur

Certains paramètres ne sont pas prédits par le MS…

Par exemple:

- La masse des particules dont la masse du (recherché) boson de Higgs

- La fréquence de changement de famille des quarks (mon champ d’étude)

- La valeur des constantes de couplage

2222


Le Modèle Standard: Ultra performant jusqu’à maintenant!

Mais, imparfait, Mais, imparfait, incomplet:incomplet:

Nécessité de mesurer ses paramètres libres avec

précision, de trouver ses composantes manquantes (Higgs) mais aussi d’aller

au-delà du Modèle Standard car plusieurs

choses restent inexpliquées…

2323

La physique auprès des accélérateurs, kossé ça (a) (va) donne (é) (er) ?

…?

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2424


…

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1) Les Neutrinos(présent)

2525

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour

les neutrinos???

La connaissance expérimentale que nous avons sur les neutrinos

proviennent de plusieurs grandes familles d’expérience.

2626


les neutrinos???

C’est pas l’axe du bien et l’axe du mal: toutes ces sources sont complémentaires, plus on a d’informations plus on est heureux (il y a tant à mesurer et à comprendre!)…

VS

On peut contrôler/varier: • La saveur des neutrinos à être étudiés• L’intensité des faisceaux• L’énergie des neutrinos• La distance de détection par rapport à la source

Quand même, les neutrinos créés par les humains ont un avantage certain:

LE CONTRÔLE!!!

2727


les neutrinos???Un exemple concret et d’actualité:

L’expérience MiniBooNEMiniBooNE (http://www-boone.fnal.gov/)

•En 1995: L’expérience LSND (Los Alamos) voit un signal fort qui pourrait s’apparenter à de la nouvelle physique

(4(4ee génération de neutrinos?!!??)… génération de neutrinos?!!??)…

MiniBooNE a donc été créé pour fouiller plus loin et confirmer/infirmer ces résultats avec une grande précision…

Des neutrinos muoniques sont produits grâce à un accélérateur, on cherche à mesurer leur oscillation en neutrinos électroniques.

Résultats attendus depuis des mois!

« neutrino oscillation results soon »

-B.T.Fleming, Neutrino 06 conf.» À suivre…

2828


…

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2) Confirmation du MS(passé)

2929

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle

Standard???La théorie de Glashow-Weinberg-Salam (prix Nobel) avait prédit (1967) la présence des bosons massifs W± et Z0

Ce sont les médiateurs de la force faible entre les quarks

et les leptons

3030

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle

Standard???

Collisions proton-anti-proton ayant une énergie au centre de masse de 540 GeV,

accélérateur modifié exprès.

Particules instables:

Observées via leurs désintégrations

Z

W

XZWpp

/

Ils furent observés au CERN (Genève),

expériences UA1 et UA2 en 1982-1983

(Prix Nobel)

3131

La physique des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle

Standard???Phys.Lett.B126:398-410,1983

Petit problème: Pour chaque événement contenant un Z/W, il y en a 101077 autres… Comment faire pour extraire le signal?

Le fait que les W,Z sont très massifs donnent des leptons très énergétiquesleptons très énergétiques… C’est leur signature! Comment faire pour « voir » le neutrino? On regarde ce qui manqueOn regarde ce qui manque!

Z

W

XZWpp

/

Ils furent observés au CERN (Genève),

expériences UA1 et UA2 en 1982-1983

(Prix Nobel)Z : 12 événements!!W: 43 événements

Leur masse fut mesurée avec

précision au LEP (collisionneur e+

e-, CERN , Genève) quelques années plus tard.

3232


…

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3) Les cosmétiques

3333

Les cosmétiques

Lu hier dans un wagon de métro

« Le grand secret d’une peau lisse réside dans l’infiniment

petit »

?

3434


…

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3) La différence matière-anti-matière(présent)

3535

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la compréhension de

la différence matière-anti-matière???

Première raison d’être de « mon » expérience BaBar

3636


la différence matière-anti-matière???Peu après le Big Bang, la matière et l’anti-matière se seraient anhilées:

matière + anti-matière = lumière

Comment notre existence (faite de matière) a-t-elle possible?

Y avait-il juste un petit peu plus de matière? (il semble plus « naturel »

d’en avoir égal au départ)

Ou… est-ce que la matière et l’anti-matière agissent différemment?

En 1967, Andrei Sakharov propose 3 conditions qui pourraient expliquer cet excès de matière . Une de ces 3 conditions est la violation CP qu’il faut mesurer expérimentalement.Pisma Zh.Eksp.Teor.Fiz.5:32-35,1967, JETP Lett.5:24-27,1967

3737


la différence matière-anti-matière???

Première raison d’être de « mon » expérience BaBar: Voir si la matière et l’anti-matière agissent de la même

façon dans les mésons B

• On produit donc avec un accélérateur & collisionneur e+e- des millions de mésons B• On observe la façon dont ils se désintègrent• On peut quantifier la violation CP dans ce système

(voir le futur Croque-Hubert de David JEUDI PROCHAIN sur le sujet!)

Collisions e+ e- Mésons B et B-bar BB BaBar …

3838

Étude de B0l pour mesurer |Vub|

implique la rare transition d’un quark « b » en quark « u ».

Un mot sur mes recherches à

(Séminaire approfondi sur mon sujet de recherche, mercredi prochain 22 novembre 15h30, V-221)

3939


…

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4) « Recyclage » des accélérateurs (présent-futur)

4040

La physique auprès des accélérateurs : recyclage???

Les accélérateurs, aujourd’hui ne servent pas uniquement à la physique nucléaire ou des

particules!!!

•Utilisés pour la physique des matériaux

4141


Les accélérateurs, aujourd’hui, ne servent pas uniquement à la physique nucléaire ou des

particules!!!

•Utilisés pour le traitement du cancer: radiothérapie

Utilisation de la radiation pour détruire

les cellules cancéreuses

4242


Utilisé pour faire un laser ultra puissant

Laser à rayon XLaser à rayon X

- Ultra haute intensité (107 x + que ceux existants)

- Courte longueur d’onde (échelle des atomes)

- Pulses très courts (103 x + ) (stroboscope style)

2009

http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/science.html

4343


Pourra « photographie

r » des réactions entre

atomes en temps réel

Photographies:Eadweard Muybridge,

~1870, Californie

4444


Autres « Dommages » Collatéraux…

Encourage les développementsEncourage les développements technologiquestechnologiques

Par exemple, à BaBar, nous avions la plus grosse banque de

données au monde à un moment donné…

Obligés d’améliorer les techniques existantes

pour manipuler les données etc…

4545


…

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5) Ce qui manque au Modèle Standard

(très proche futur)

4646

La physique des accélérateurs : kossé ça donne pour ce qui manque au MS???

HIGGS

Stay Tuned! 2007-2008Stay Tuned! 2007-2008

4747

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour ce qui manque au

MS???Le boson de Higgs mais pas seulement lui…Énergies encore inexplorées…

Ces dernières années: multiplication des papiers théoriques…

Pas de conscensus sur ce qu’on va trouver…

Situation vraiment excitante!

LHC

(voir le futur Croque-Hubert de Marie-Hélène Genest JEUDI DANS 2 SEMAINES! sur le sujet!)

4848

Énergie des accélérateurs Vs Histoire de l’univers

Plus on monte en énergie, plus on s’approche des

conditions du Big Bang

• Cosmologie Standard~0.01 secondes après le

Big Bang

• Cosmologie & physique des particules

~0.00000000001 secondes après le Big Bang

http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/bb_history.html

4949

La physique auprès des accélérateurs : Sondage auprès de quelques profs de l’UdeM

Q: Quels sont, selon vous, les 3 plus grandes réalisations de la physique des accélérateurs?

Découverte des W et Z

Confirmation de l’existence des quarksDécouverte des quarks (c, b, t)

Confirmation que le nombre de familles de leptons = 3

Datation du C-14

(tandetron)

Découverte des courants neutres

Internet

Découverte du noyau atomique(avec sources alpha)

Application thérapeutiques(cancer, etc)

Découverte des neutrinos muonique et tauiques

Découverte de la violation CPUtilisation de la radiation synchrotron

Pour biologie/chimie

Découve

rte des

violatio

ns de sy

métries

Découverte possible du plasma

quark-gluonsVérification à haute précision du

Modèle Standard

5050

Les questions prioritaires de la physique des particules pour la prochaine décennie, au-delà du MS, selon le «rapport P5 (USA) », octobre 2006 :

1) Are there undiscovered principles of nature: new symmetries, new physical laws?2) How can we solve the mystery of dark energy?3) Are there extra dimensions of space?4) Do all the forces become one?5) Why are there so many kinds of particles?6) What is dark matter? How can we make it in the laboratory?7) What are neutrinos telling us?8) How did the universe come to be?9) What happened to the antimatter?

http://www.science.doe.gov/hep/P5RoadmapfinalOctober2006.pdf

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Conclusions

La physique des accélérateurs a apporté de multiples choses à la science, et tout n’était pas

« prédit ».

La théorie et l’expérimental s’entraident mutuellement et ont besoin l’un de l’autre.

On ne peut voir, sur le coup, les retombées technologiques directes des sciences

fondamentales mais ça ne veut surtout pas dire qu’elles soient inutiles.

La recherche avec les accélérateurs est super variée et vivante, tout n’est pas compris, il reste beaucoup à faire, vous êtes les bienvenues si cela vous intéresse! Juste en physique des particules

élémentaires, il y a des centaines d’expériences à travers le monde qui roulent! Restez à l’affût des

résultats du LHC dans les prochaines années, sûrement plein de surprises!

5252

Réaction de Hubert Reeves aux Croque-Hubert

Un certain vendredi j’ai reçu un courriel de Christine Hervieux…

J’ai donc envoyé un courriel à M. Reeves lui explicant les origines, motivations et buts des Croque-

Hubert…Voici donc sa réponse

intégrale contenant ses explications et

précisions…

5353

Réaction de Hubert Reeves aux Croque-HubertChère amie

Merci de votre mot ..

A la conférence j'ai voulu dire que les expériences en laboratoire avaient admirablement confirmées le modèle standard S.M des particules mais

jusqu'ici elles n'avaient pas permis d'aller plus loin... Or ce modèle reste très insatisfaisant : trop de paramètres libres et de nombreuses anomalies. Et qu'en

fait les pistes nouvelles sont venus de l'astrophysique, en particulier des neutrinos solaires et ceux du rayonnement cosmique , imposant une masse aux neutrinos. Le LHC nous apportera sans doute des informations majeures

en particulier sur l'existence et la nature du boson de Higgs tandis que les expériences de neutrinos, émis par des accélérateurs et détectés des centaines de km plus loin, nous ferons progresser dans l'étude de l'intéraction faible , en

particulier sur la matrice MNS .

Loin d'être inutiles les expériences de labo sont d'une importance capitale. J'en suis convaincu. Je me suis mal exprimé si les étudiants ont perçu une opinion

contraire.

Et je vous souhaite le meilleur succès autant dans vos travauxprofessionnels que dans vos séminaires "Croque-HubertCroque-Hubert"!!

AmicalementHubert Reeves

5454

Quelques Liens utiles… et mot de la finThe Particule AdventureThe Particule Adventurehttp://www.particleadventure.org/http://www.particleadventure.org/

The The Particle Data GroupParticle Data Grouphttp://pdg.lbl.gov/http://pdg.lbl.gov/

Page principale de l'expérience BaBarPage principale de l'expérience BaBarhttp://www.slac.stanford.edu/BFROOT/http://www.slac.stanford.edu/BFROOT/

Expérience BaBar à l'université de MontréalExpérience BaBar à l'université de Montréalhttp://www.lps.umontreal.ca/GPP/BABAR/page1.htmlhttp://www.lps.umontreal.ca/GPP/BABAR/page1.html LHC HomepageLHC Homepagehttp://lhc.web.cern.ch/lhc/http://lhc.web.cern.ch/lhc/

MiniBooNEMiniBooNEhttp://www-boone.fnal.govhttp://www-boone.fnal.gov

LCLS home pageLCLS home pagehttp://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/

Prix NobelPrix Nobelhttp://nobelprize.org/nobel_prizes/http://nobelprize.org/nobel_prizes/

Particle Physics Timeline Particle Physics Timeline http://www.particleadventure.org/other/history/index.htmlhttp://www.particleadventure.org/other/history/index.html FINFIN

Page principale des Croque-HubertPage principale des Croque-Huberthttp://feynman.lps.umontreal.ca/~brunet/CroqueHubert/

•Merci de votre écoute et stay tune pour les prochains Croque-Hubert ! • Bonne chance dans votre BAC et ne vous gênez pas pour aller parler de recherche aux profs et étudiants gradués! • Le web fourmille d’information également, allez fouiller!

Merci aussi à Hubert Reeves pour sa contribution inconsciente au projet!

croque-hubert #1 la physique (auprès) des accélérateurs, kossé ça donne?

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