univers des neutrinos 2006

8/2/2019 Univers Des Neutrinos 2006

1/98

LL Univers des NeutrinosUnivers des Neutrinos

ouou

Les Neutrinos de lLes Neutrinos de lUniversUnivers

Gaston WilquetGaston Wilquet juin 2006 juin 2006


2/98

Physique des particules (Physique des particules (llmentaires)mentaires)ou bienou bienPhysique des hautesPhysique des hautesnergies ?nergies ?


3/98

3

Physique des particules (Physique des particules (llmentaires) ou bienmentaires) ou bienphysique des hautesphysique des hautesnergies ?nergies ?

Les instruments:

- les dtecteurs: voir les particules, c..d. dtecter leurs effets

- les acclrateurs: acclrer des faisceaux de particules des nergde plus en plus leves hautes nergies.

Pourquoi ? Deux grandes thories de la physique moderne Relativit restreinte: grandes vitesses

quivalence masse - nergieEinstein E = mc2 (c = 300 000 km/s)

Mcanique quantique : petites dimensionsquivalence onde - corpuscule

de Broglie E = hc/


4/98

4

Relativit : grandes vitesses : quivalence masse - nergie

E = mc2 E =m0c

2

+ T nergie nergiede massecintiqueau repos

. Electron de 10-30 kg acclr 0,9999999999875 fois la vitesse de la lumire(300 000 km/ s) sur une cible:nergie de masse : 0,8 10-13Joules 1030 fois moins que la boule, maisnergie cintique : 1,6 10-8 Joules 200 000 fois plus grande que sa masse

Aprs la collision lectron/cible : nombreuses particules massives produite

. Boule de bowling de 5kg lance 10 km/h :

nergie de masse : 5 1017Joulesnergie cintique : 250 Joules drisoire par rapport la masse

Aprs la collision boule/quilles : boule et quilles

Henry VIII


5/98

5

Collision entre particules : production de particules massives

pas des dbris conversion dnergie en masse


6/98

6


E = hc / : longueur donde

Grande nergie Petite longueur donde Grande rsolution

Avec une longueur d onde on peut observer des dtails de dimension


8/98

8

MicroscopeMicroscopelectroniquelectronique:avec les ondes associes aux faisceaux dlectrons on voit des dtails 10 000 fplus petits quavec la lumire visible, de la taille des atomes, 10-10mm.

molcules

de collode

structurecristalline

50 atomes de fer

Avec une longueur d onde on peut observer des dtails de dimension


9/98

9

Les protons et les neutrons des noyaux des atomes sontencore 100 000 fois plus petits que les atomes:10-15m ou 1 millionime de milliardime de mtre.

Avec des ondes - particules acclres trs haute nergie

Longueur donde au moins dix fois plus petite quela taille des nuclons (protons et neutrons) :10-16m ou 1 dix millionime de milliardime de mtre.

AccAccllrateurs de particulesrateurs de particules:

Comment tudier la structure des protons et des neutrons?

Diamtre : 9km


10/98

10

1911Ernest Rutherfordinvente le principephysique des particules = physique de hautes nergi

Seule source de particules rapides disponible :les noyaux radioactifs

Bombardement de feuilles daluminiumavec des particules:

Les atomes ont un noyau

- rayon de latome ~ 10-10

m- rayon du noyau ~ 10-15m- noyau contient 99.98% de la masse.


11/98

La matiLa matirereetet

les forcesles forces


12/98

12

Vue optique la plus lointaineque l'homme a de l'univers

ADNcentaines de millions datomes

NGC 5194


13/98

13

L atome dlectrons enorbite autour dun noyau

La molcule estfaites datomes

O

H H

Le noyau est fait de nuclons :protons et neutrons

R ~ 10-10m

R semblable auxatomes.

Force lectromagntiqueud

d

Les nuclons sont faitde quarks u et d

R semblable auxnuclons

R ~ 10-15m

Force (nuclaire) forte

u

Les quarks sans structure la limite de nos connaissances

R < 10-18m

Force (nuclaire) faible : dsintgration


14/98

14

2m m F

r

Force gravitationnelle

Dominante aux grandeschelles

Sans objet aux petiteschelles

Amas de galaxies

JupiterEuropa

Galaxie NGC5194 SoleilVenus

Terre et homme


15/98

15

23

-1

-

e3

2 quarks

u quark u

d q

2 leptons

e lectron

neua utrino-erk d

Les particules lmentaires composant la matire ordinaire

matire ordinaire radioactive

2 23 3

2 13 3

1 13 3

proton neutron

u u

u d d d

u

ud

u

dd

Les quarks ne sont pas libres; ils sont li


16/98

16

Les 4 forces qui structurent laLes 4 forces qui structurent lamatimatirere toutes les dimensionstoutes les dimensions

gravitation: [masse] infinie 10-40Newton lie les plantes (et nous dessus), les toiles,Einstein les galaxies

la seule que nous ressentons continuellement

faible:: [charge faible][charge faible] 10-18 10-5Fermi responsable de la radioactivit

porte intensit(m) relative forte [charge de couleur][charge de couleur] 10-15 1

lie les quarks dans les nuclonslie les nuclons dans les noyaux des atomes

udd

lectromagntique[charge lectrique] infinie 10-2Maxwell lie les lectrons aux noyaux dans les atomes

lie les atomes en molcules ou en cristaux2

F q q F

q qd

=

signe de

signe de

2 0toujoursm m

F d

>


17/98

Leurs composants:Leurs composants:

les quarksles quarks

Le bestiaire des particulesLe bestiaire des particulessemblablessemblables

aux protons et neutronsaux protons et neutrons..


18/98

18

De plus en plus complexe, de plus en plusDe plus en plus complexe, de plus en plusllmentairementaire

Les atomes, les atomos indivisibles des grecsla plus petite particule capable de liaison chimique

1911: Ernest Rutherfordinvente le principephysique des particules = physique de hautes nergiesLes atomes ont un noyau100 000 fois plus petit et contenantpratiquement toute la masse.

1932:James Chadwickdcouvrele neutron, le frre neutre du protonLes noyaux sont constitus de nuclons: protons et neutrons

Le tableau empirique des lments de Mendeleev sexplique


19/98

19

Tableau empiriquede Mendeleev

Tableau priodique des lments

Le noyau est constitu de protonschargs positivement et de neutronsneutres.

Latome est neutre: il y a autantdlectrons ngatifs que de protons.

Les proprits chimiques sont liesaux lectrons.


20/98

20

Ds les annes 1940: plaques photographiques exposes au

rayonnement cosmique (haute montagne, ballons stratosphriques) dcouverte de particules interagissant fortement avec

la matire : comparables au proton et au neutron hautement instables (10-8 - 10-12s)

1953: premier acclrateurde particules BrookhavenLa faune des particules explose

msons, , , , ,K,f , a 1, a2, , , , D, B, D S...baryons p ,n, , , , , , c, c

1947: +

K0

Rochester& Butler

Occhialini et col

++

e+

K0


21/98

21

La nature est-elle si complique?

1960 :Feynman, Gell-Mann, Zweig,les nouveaux Mendeleev:comme si les particules taient composes dequarks

1959 :Allistair et HostdadterLe proton a une dimension finie (10-15m)

Three quarks for Mr. Mark James Joyce

1969 : exprience deFriedman, Kendall et Tayloretcollaborateurs

Le proton est compos dequarkslis par la force forte


22/98

22

Les hadrons et les familles de quarks aujourdLes hadrons et les familles de quarks aujourdhuihui

22 2 2 2 233 3 3 3 3

11 1 1 1 133 3 3 3 3

les quarks les antiquarks

charmup top

strangedown bottom

-- -

cu t u c t

sd b d s b

+ + +

u

ud

Antibaryons:3 antiquarksu

u

d

Msons:1 quark et un antiquark

Baryons:3 quarks

23

23

13

proton

u

u

d

23

23

13

antiproton

u

u

d

23

+

13

mson ud

ud

Pourquoi trois familles ?


23/98

Les neutrinosLes neutrinosontontune histoire liune histoire liee celle decelle de

la physique modernela physique moderne


24/98

24

De la dcouverte de la radioactivit la crise de lnerg

1914 : Lise Maitner, Otto Hahn et James Chadwickmesurent le spectre dnergie des rayons

1886:Pierre Becquereldcouvre laradioactivit

1897:J.J.Thomsondcouvre llectron

1902:Pierre et Marie Curiedcouvrent queles rayons sont des lectrons


25/98

25

de 1914 1930:Crise de la sacro-sainte loi fondamentale de laphysique: la conservation de lnergie

Transmutation par dsintgration-40K 40Ca + e-

Conservation de lnergie: llectron devrait avoir une nergie constante.

Or il a tout un spectre dnergie

Spectre dnergie de llectron misdans la dsintgration b du40K

E (keV)

I n t e n s

i t

Deux monuments saffrontent:- Niels Bohr(et les pragmatiques)- Albert Einstein(et les gardiens du temple)


26/98

26

De linvention la dcouverte du neutrino

Lide de Pauli : loeuf de Colomb

1. - la non conservation de lnergie nest quapparente,2. -une partie de lnergie donne un troisime corps, neutre3. - comme llectron peut occasionnellement prendre toute

lnergie disponible: la masse de cette particule est petite,4. - comme la particule na jamais t observe, elle interagit

trs faiblement avec la matire.

en fait np + e- +ou plutt du + e- +

40K 40Ca + e- +

1930:Wolfgang Pauli, retenu par un bal Zurich, dans une lettre Dear Radioactive Ladies and Gentlemen en congrs Tbingen le 4 dcembre

I have hit upon a desperate remedy to save the law of conservation of energy.


27/98

27

Pour comprendre le pari de Fermi: une comparaison comme uneautre entre forces forte et faible:

Force forte:dsintgration en chane des tats excits des nuclons en 10-23s

Force faible:dsintgration du neutron en environ 887 snp + e- +

26 ordres de grandeur de diffrence

1933:Enrico Fermibaptise le neutrino, le petit neutre- invente lathorie la force (nuclaire) faible- promet une caisse de champagne qui dcouvrira le neutri


28/98

28

1956: 26 ans plus tard, la fin dune longue qute:Fred Reines et Clyde Cowanprouvent lexistence du neutrinoGrce aux premiers neutrinosfabriqus par lhomme au racteurde Savannah River

Fermi est mort depuis deux ans et ne pourra pasoffrir le champagne.Pauli a plus de chance et survira deux ans la dcouverte

de son invention.


29/98

29

Les lectrons ont aussi des rpliques

et des antiparticulesLa nature a aussi des antilectrons:1930 : Carl Anderson dcouvrele positon = antilectron

Pierre Joliot-Curie la dsintgration+

mission dun positon

La nature bgaie pour les lectrons:1937 :Carl Anderson et dautres dcouvrentles muons-, +semblables en tout llectron et au positon, mais instables(2 microsecondes) et 200 fois plus massifs..

210Rn 210At + e++

1974: Lquipe deMartin Perl dcouvreles taus-, +hautement instables (10-13s) et 3500 fois plus massifs

E l i i i il


30/98

30

1956-1957 :prdiction de Tsung Dao Lee et Cgen Nin Yang

La naturereconnat sa gauche de sa droitevrification par Chien Shung Wu

La nature a aussi des antineutrinos

Et les neutrinos, pourquoi nauraient-ils pas aussdes rpliques et des antiparticules?

1959 : Ray Davis : neutrinos et antineutrinos sontdiffrents

Noyau radioactif+: e++ + noyaue- + XNoyau radioactif- : e- + + noyaue++ X


31/98

31

La nature bgaie pour les neutrinos:

1962 :Leon Lenderman, Melvin Schwartz etJack Steinberger

dcouvrent queles neutrinos associs aux lectronset aux muons sont diffrents:

:

+ +

-

+

-

+

+ n pen p e

+

+ +

+ +:

+ +

-

+

-

+

+ ee

n pe

n p e

+

+ +

+ +

2000: Le groupe DONUT dcouvre les ,lesneutrinos du .


32/98

32

Les familles de leptons aujourdLes familles de leptons aujourdhuihui

neutrino-

les l

neutrino-ele

e

m neutrino-umuon

tautauct

s

n

n

ro

pto

e

e

Les familles de quarks aujourdLes familles de quarks aujourdhuihui

22 2 3

13

3

13

3

13

charm

strang

top

bo

les qua

te

up

dow m

r s

n

k

to- --

d b

c

s

u t

les leptons existent ltat libre

les quarks sont lis dans les msons et les baryons

les antileptons

e

e + +

2 3

13

2 32

13

3

13

les antiquarks

t

b

u

d

c

s

+ +

+


33/98

Les neutrinos ont-ils au moinsune masse ?


34/98

34

Les neutrinos sont neutres et nLes neutrinos sont neutres et ninteragissentinteragissent

pratiquement paspratiquement pasmais au moins ontmais au moins ont-- ils une masse?ils une masse?Limite exprimentale:dsintgration du tritium

3 3 -eH He + e +

Llectron peut prendre toute lnergie disponible.Aucune nergie m

c2 ne doit tre rserve pour la masse m

du neutrino

m < 1/50 000 masse de llectronm < 1/100 000 000 masse du proton

e E

mc2

m=0


35/98

Les neutrinos du Big-Bangremplissent lUnivers


36/98

36

Les neutrinos du Big-Bang remplissent lUnivers

Hedwin Hubble dcouvre les galaxies:elles se fuient dautant plus vite quelles sont loigneinspire l atome primitif Georges Lematre

Le modle cosmologique du Big-Bang:

dcrit lvolution de lUnivers partir dune formidabexplosion qui cre espace, temps, matire et radiationil y a 13.5 milliards dannes

depuis, lUnivers est en expansion et sest structur enrefroidissant

65 km/s 3 millionsdannes-lumire


37/98

37

Il sen est fallu dun rien pour que lUnivers soit vide de matire

Premire fraction de seconde:Matire et antimatire s'annihilent totalement en rayonnement.Compltement ?

Miracle ! Un 10 milliardime de particules de matire en plus!Pourquoi? Modles vrais ou faux ? A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs. Rponse aprs 201

Aprs 14 milliards dannes :

Cartographie du rayonnement fossile dl Univers refroidi 2.73 K (-270.42 C

Bruit de Fond Micro-onde.Penzias et Wilson en 1965

WMAP 2003

Age de lUnivers : 14 milliards dannes


38/98

38

Carte de la temprature du rayonnement fossile micro-onde

Age de l Univers : 14 milliards d annes

Trs homogne: T=2.73 K, variations 10-5

Carte de la densit de la matire

Trs inhomogne

Age de lUnivers : entre 300 000 ans et 1 milliard dannesCarte de la temprature du rayonnement

Trs homogne: T 4000 70 K, variations 10-5

Carte de la densit de la matire

Trs homogne

Gravitation


39/98

39

Il y a 10 milliards de fois plus de neutrinos dans lUniversque de protons ou dlectrons

environ 100 par cm3

Flux : au moins 200 milliards / cm2 / s

du moins, tout le monde en est convaincu.

Aucune bonne ide pour dtecter des neutrinos dnergie aussi pe

A part les neutrinos qui ont survcu en nombre ?Lannihilation neutrino - antineutrino en rayonnement est infiniment faibl


40/98

Les neutrinos humains

U t h i ti t i 2 d t i k


41/98

41

Un homme de 200 kg met 20 000 neutrinos chaque secondee

Un tre humain contient environ 2 g de potassium par kg

dont 0.012%= 0.24 mg de40K radioactifLe40K a une demi-vie de 1.3 milliards dannes :

1510-21 g se dsintgrent chaque seconde

1510-21 g de 40K radioactif = 100 atomes se dsintgrent par second

e

Une femme de 50 kg, environ 5 000


42/98

Les neutrinos de la Terre

L i d l T i t t l i ?


43/98

43

Lnergie de la Terre : gigantesque racteur nuclaire?Dsintgration des noyaux instables.

e107 /cm2 /s40 000 Gigawatts ou20 000 centrales nuclaires

232Th40K235-238U


44/98

Une autre manirede connatre leur masse

Les neutrinos peuvent osciller :

Les oscillations de neutrinos


45/98

45


Un autre mystre du monde de la mcanique quantique :Une cr ici peut se transformer en puis nouveau eneet entre les tatse et avant darriver l-basoscillerUn neutrino peut tre regard comme

une produit dans une interaction en mme temps quune + un produit dans une interaction en mme temps quun +

Un neutrino peut tre regard commeun1de massem 1 un2de massem 2

Les paires dtats {e } et {12} ne concident pas

1 e

0.7 0.3

2 0.3 0.7

e 1

e

0.7 0.3

2

0.3 0.7

1 2

U


46/98

46

Un

est cr avec une+ dans une interaction.

e .7 .31 2

Les deux composantes de la masse se propagent avec des vitesses diffrCeci gnre un dphasages entre ces deux composantes.Aprs une distanceL , la composition est devenue, par exemple,

.6 .41 2

.3 .7e 2 e .86 .14 2

.6 .261 2 .14 2

.04e e .86 .10

e .90 .10

Conditions :- masses diffrentes- paires dtats {e } et {12}

ne concident pas



47/98

47

Expriences trs difficilesAucune prdiction thoriques deP max et dem 2

( )2

2

2 2 22 1

distance parcourue par le neutrino4

nergie du neutrino

e max

m L P P sin L

E E

m m m

= =

= =


( )e e P

( )e P

L

P max petit

( )e e P

( )e P

L

22 0

4m L

sin E


48/98

Le rayonnement cosmiqueetles neutrinos atmosphriques

Le rayonnement cosmiqueO igi


49/98

49

Le rayonnement cosmiqueOrigine: Soleil Tous les cataclysmes astrophysiques de notre Galaxie (Supernova Tous les cataclysmes astrophysiques de lUnivers Les reliquats du Big-Bang

Composition: semblable celle de lUniversprincipalement des noyaux dhydrogne et dhlium

Flux dans la haute atmosphre:10 000 / m2 / s

Aurore borale:rayons cosmiques dun type particulier:lectrons mis par le soleil

Victor Hess

Les derniers filtres:


50/98

50

Les derniers filtres:

Latmosphrearrte presquetout mais laisse passer ce quininteragit pas fortement:lectrons : 1 / (m2 s),muons : 200 / (m

2s),neutrinos : 10 000 / (m2 s)

dtecteur neutrinos

La Terrearrtelectrons sur quelques mtresmuons sur 1 ou 2 km

La Terrenarrte (quasiment)

pas les neutrinos !!!

Les dtecteurs neutrinos atmosphriques:


51/98

51

Les dtecteurs neutrinos atmosphriques:massifs : avoir quelques interactionssouterrains : blindage cosmique

sous les Alpes (Mont Blanc, du Frejus), les Abruzzes (Gran Sassle Caucase (Baksan), au fond des mines de Soudan, Sudbury, Ka

MACRO

53 000 tonnessous le Gran Sasso

Super-Kamiokande : dtecteur neutrinos atmosphriq


52/98

52

p p q

50 000 tonnes (50 000 m3) deauhautement purifie (transparente) sous 1000 m de rochedans la mine Mozumi, Kamioka, Japon : blindage cos vue par11200 yeux lectroniques(tubes photomultiplicateurs) :dtecter la lumire tnue mise par les particules cres dans linteraction

100 000 neutrinos atmosphriques par seconde30 interactions par jour

Rsultats unanimesLes neutrinosi t d t t


53/98

53

P,He,Fe

20 km

13 000 km

P,He,Fe

Rsultats unanimes

- nombre observ dee= nombre attendu- nombre observ de

venant du haut (20 km)= nombre attendu- nombre observ devenant du bas (13 000 km)

=1/2nombre attendu

viennent de partout

Interprtation admise:Les venant du bas ont eu letemps d osciller enque le dtecteur ne voit pas


54/98

Les neutrinos du Soleil

Comment fonctionne le soleil?Comment fonctionne le soleil?


55/98

55

Hans Bethe (annes 1930) William Fowler (annes 1950)

Le soleil est un plasma de noyaux dhydrogne et dhlium etdlectronsLe cur du soleil est une centrale nuclaire :fusion de lhydrogne en hlium

Temprature: 10 millions de degrs

Nos centrales nuclaires : fission de noyaux lourds en noyaux plu

Comment fonctionne le soleil?Comment fonctionne le soleil?

1 44 2 Energie (rayons )2 e H He e++ + + + +

SNO : Dtecteur neutrinos solaires


56/98

56

1 000 tonnes (1 000 m3) deau lourde (D2O)hautement purifie sous 1300 m de rochedans la mine de Creighton, Sudbury, Canada : blindage cosm vue par9500 yeux lectroniques(tubes photomultiplicateurs) capables dedtecter la lumire tnue mise par les particules cres dans linteraction dune

Support des tubes PMEnveloppe acrylique =12m

6 000 tonne H2O

Les neutrinos du soleil e


57/98

57

1 5 0 0 0 0

0 0 0 k

m

5 0 0 s

65 milliards

/cm2

/s

e

Flux dee mesur depuis 30 ansRsultat unanime de 5 expriences:

50% des neutrinose manquent lappel

Flux total mesur depuis 2 ans :

Nombre total de : (e confondus)= Nombre dee attendu

Lese venant du soleil ont eu le tempsdosciller

?

La preuve par les neutrinos


58/98

58

La preuve par les neutrinos

que le moteur solaire est bien un moteur fusion nucla

Angle entre les directions du Soleilet de llectron mis dans linteraction des neutrinos solaires

0 degrs180 degrs


59/98

Les neutrinos faits par leshommes:

Les racteurs nuclaires

Les neutrinos des racteurs


60/98

60

Un racteur de 1 GigaWatt produit environ 61020 neutrinos(antineutrino - e) par seconde au cours de 1020 chanes de fission

puis Bugey(F), Chooz(F), Gsgen(D), Rovno(UKR), Krasnoarsk(

Palo Verde (USA)Avantage : gratuit !!!Inconvnients : domaine dnergie trs limit,

difficult de monter des expriences prs dun racteu

Chooz

Savanah River: Reines et Cowandcouvrent le neutrino


61/98

Les neutrinos faits par leshommes:

Les acclrateurs de particules

Les neutrinos des acclrateurs


62/98

62

Avantages: contrle de lnergiedu type de neutrinos crs

Inconvnients: cher mme si lacclrateur existe la construction: faisceaux complexes lexploitation, pour lternelle raison:

des milliers de milliards de neutrinos pour une interaction

Programmes continus de physique du neutrino: Au CERN et au laboratoire FERMI, Chicago

depuis la fin des annes 1960. Au KEK, Tsukuba (Jp), Los Alamos (USA), au LaboratoireRutherford (GB) depuis plus rcemment

AcclrateurPrincipe Cavit acclratriceChamps lectrique


63/98

63

circulaireetCollisionneur

Principe p q

Aimant de focalisationChamps magntique

Aimant de courbureChamps magntique

Chambre vide

collisionneur

injection

acclrateur

jectioninjection

Cavit acclratrice Chambre vide

Aimants:Courbure : dipleFocalisation : quadriple


64/98

64

Acclrateurs du

Genve9 km


65/98

Lexprience OPERA

Lexprience OPERA : vrifier de manire contr


66/98

66

ples rsultats des neutrinos atmosphriques

Faisceau de neutrinos:CERN, Genve

Dtecteur:sous le Gran Sasso, Abruzzes

Distance Genve - Gran Sasso

730 km0,002 secondesPermettre aux oscillationsde se dvelopper2000 km serait mieux

La cible dOPERA


67/98

67

235 000 briques de plomb de 8,3 kginstrumente par du film photographique.Poids Total : 1800 tonnes

17 hectares de film photographique

3 0 0

m

f i l m

p h o t o g r a p h i q u e

1 mm Pb

56 couches

200 mBaseplastique

5 0

m

m

u l s i o n n u c l a i r e

5 0

m

m

u l s i o n n u c l a i r e

1 0 0

m

MIP~35 grains / 100m

Pourquoi du Plomb ?Cible massive pour compenser la probabilitextrmement faible dinteraction des neutrinos.


68/98

68

f i l m

Pb

1 mm

Pourquoi du film photographique ?Toute la diffrence entre uneinteraction de et une interaction de se passe sur 1 mm.

Le dtecteur OPERA


69/98

69

Aimants dipolaires +Trajectographe haute rsolution

Murs de plomb instrumentsmulsion photographique +Trajectographe basse rsolution (TT)


70/98

70

Posters TT OPERA


71/98

71

Adobe Acrobat 7.0

DocumentPrincipe de fonctionnement

Adobe Acrobat 7.0Document

Assemblage des modules en plans


Insertion des traceurs dans le dtecteur


Best of


Prototype mcanique


volution du collage des fibres


volution dans la fabrication des barreaux


volutiondu systme dinjection de lumirede polissage de la fentre optiquede lacquisition de donnes


volutiondes bouchonsdu collage des peaux

OPERA : un projet de taille moyenne


72/98

72

1997 : premires cogitations2000 : proposition d exprience, dbut de la recherche de fonds2001 : exprience approuve par le CERN

dbut de la construction du faisceau2002 : dbut de la construction des dtecteurs dans les laboratoires2003 : dbut de l installation au Gran Sassomi-2006 : la construction du dtecteur est suffisamment avance p

la physique puisse commencermi-2007 : fin de la construction2011 : fin (provisoire?) de la prise de donnes de lexprience2014?? : fin de lanalyse

150 physiciens, 30 laboratoires dAllemagne, Belgique,Chine, Core, Croatie, France, Isral, Italie, Japon, Russie,Suisse et Turquie

L a p h y s i q

u e d e s

L a p h y s i q

u e d e s

p a r t i c u l e

s :

p a r t i c u l e

s :

u n e l o n g u

e p a t i e n c e

u n e l o n g u

e p a t i e n c e

Cot :


73/98

73

?

faisceau : 50 millions dtecteur: 55 millions dont mulsion nuclaire : 25 million

CCest cherest cher !


74/98

74

Notre rcompense, aprs 15 ans de dur labeur,Si nous avons bien travaill

ET

Si la physique est ce que nous croyons quelle est:Quelques dizaines de

ayant enet interagi dans le dtecteur OPERA.

oscill

et


75/98

A quoi a sert ?

Physique des Particules, Astrophysique, Cosmologie :Recherche fondamentale sur le plan de la connaissance


76/98

76

Recherche fondamentale sur le plan de la connaissanceComprendre lUnivers

Big-Bang:Cration deEspaceTempsMatire-Energie

aprs 14 milliards dannes

Avatar?Invitable?Dtermin?

la fin du temps ???

Argent bien investi !!Argent bien investi !!

Michael Faraday (1791-1867), un dput, propos de ses

Histoire de la physique : exemples parmi une myriade


77/98

77

y ( ), p , p ptravaux sur les effets magntiques de llectricit : Je ne sais quoi serviront mes recherches, mais un jour, le gouvernementbritannique pourra lever des impts dessus

Heinrich Herz vers 1890 poursuit les travaux thoriques deMaxwell sur llectromagntique :communication par voiehertzienne. Joseph John Thomson et Hendrik Lorentz, fin du XIX sicle,veulent comprendre la nature du courant lectrique et dcouvrentllectron.

1930 : premiers ordinateurspour besoins en calculs desthoriciens de la physique nuclaire (longtemps avant Hiroshima etSavannah River)

William Shockley, John Bardeen et Walter Bratain, thoriciensde la physique quantique des solides, en 1950 :effet transistor.

Retombes directes et indirectes de la physique des particules

Sciences de la vie :proton thrapie


78/98

78

Sciences de la vie : radiothrapie, proton thrapie dosimtrie imagerie mdicale: rayons X, camras gamma, tomographie mission de positons (TEP), strilisation gamma du matriel chirurgical, radio-isotopes pour implants,Mtallurgie : contrle de qualit, processus dusure,

Science des matriaux : modifications des surfaces par implantation dions (avionique,prothse,

Microlectronique : fabrication des puces par lithographieRseau de 40 nm(40 millionime de mm)lithographie par rayonnementsynchrotron X

TEP petit animal

TEP cerveau Parkinson

Retombes directes et indirectes de la physique des particules

Archologie, uvres darts :


79/98

79

datation analyse des pigments,

Agroalimentaire : strilisation gamma

Scurit : imagerie : dtection de matriaux, de personnes. strilisation du courrier

nergie, retraitement : transmutation des dchets de fission longue vie des racteursnuclaires, production dnergie nuclaire par amplification : chane de ractionsous-critique, dchets de fission propres, combustible abondant(Th232)Technologies de pointe : techniques du vide extrme, cryognie, supra-conductivit,hauts champs magntiques,

Dbut 1993 : 50 recherche physiqueFin 1993 : 500 recherche


80/98

80

1991: Tim Berners-Lee cre le premier serveur et premier browser, etles protocoles de base du World Wide Web: adresses URL, protocole detransmission HTTP et code HTML pour les besoins des grandes collaborations internationalesde physique des particules.

Fin 1993 : 500 rechercheFin 1994 : 10 000

2 000 commerciaux

2007, Prochaine tapeGRID - calcul sur rseau :

Physique des particules,Mtorologie, Observation de la Terre,Bio-informatique, Gnomique,Espace,

Le parc des acclrateurs en 2002


81/98

81

Implantation dions, modifications de surfaces de matriaux : 7 000

Industrie, mtallurgie : 1 500

Recherche non nuclaire : 1 000 Radiothrapie : 5 000

Production de radio-isotopes pour la mdecine : 500

Sources de radiation synchrotron pour lindustrie et la recherche :70

Recherche en physique des particules et physique nuclaire : 110


82/98

82


83/98

Une nouvelle discipline:lastrophysiquedes neutrinos

Naissance de la discipline : la Supernovae SN1987aExplosion de Sanduleak 69202


84/98

84

dans le Grand Nuage de Magellanil y a 150 000 ans(donc 150 000 a.l.)

aprs avant

aujourdhuiSupernovae II: le modleles grosses toiles (8 fois le Soleil) meurent jeunes : 100 millions dannes

1 seconde : le cur de fer seffondre en une toile neutrons ou un trou n

10 secondes: rebond sur le cur, onde de choc, synthse des noyaux lourdet expulsion des couches externes.

Energie produite: 2 1048 Joules(400 fois le Soleil sur une vie de Soleil)comment? 99% sous forme de neutrinos !!

150 000 ans plus tard:SN1987a: la preuve du modle par les neutrinos


85/98

85

Un flash de 4 1043 / m2 doit traverser la terre en dix secondes

Le 23 fvrier 1987 7h35 T.U.

SN1987a est observ par les astronomesDtecteur neutrinos:

Kamiokande - mine Mozumi de Kamioka, Japon12 interactions de neutrinos en 12.4 sIMB - mine de Fairport Harbour, Ohio8 interactions de neutrinos en 6.0 s

Baksan - sous le mont Baksan, Caucase5 interactions de neutrinos en 9.1 s

en temps normal: 1 interaction de neutrino par jour

Coeur de la galaxie NGC 3261Masse = milliards dtoilesLastrophysique des neutrinos :

observer les cataclysmes


86/98

86

Messagers du Cosmos:

la lumire (ondes radios, visible, rayons)lUnivers est opaque aux rayons les plus nergtiques

88 000annes-lumire

400 annes-lumire

astrophysiques les plus nergtiques

les protons, les noyaux datomelUnivers est opaque aux protons les plus nergtiquesles protons sont dvis dans les champs magntiques

les neutrinosvont tout droit et lUnivers leur est (quasi) transparent mais les dtecteurs aussi sont (quasi) transparents !!!!


87/98

87

Des dtecteurs super-hyper-mga massifspour lastrophysique des neutrinos

Regarder avec des yeux lectroniques des volumesdeau pure et transparente de lordre du km3

Mis disposition par la nature

au fond de la Mditerrane (ANTARES, NESTOR, NEMO)au fond du lac Bakal (BAIKAL)

sous lAntarctique (AMANDA, ICE-CUBE)

AMANDA/IceCube auDbut de linstallation : 1997


88/98

88

Fin : 2008.Du travail pour 20 ans

AMANDA IceCube

AMANDA

d l

Base


89/98

89

Module optique.

Forage dun troude 2400 m dans la glace

Descente moduleoptique

De quoi est faite la matire noire de lUnivers?

1 i l d


90/98

90

1 - Particules non encore dtectes:interagissant faiblement avec la matire.

2 - Particules massives : effets gravitationnels

Les neutrinos existent, satisfont aux deux conditions

Leur masse est trs petite : < 100 millionime de masse du proton mais pas ncessairement nulle et ils sont 10 milliards de fois plus nombreux dans lUnivers!

30 ans de physique du neutrino au CERN


91/98

91

BEBCGargamelle CHARM

CHARM-IICDHS

CHORUS

Pourquoi et comment cette explosion? Et quoi avant?


92/98

92

Avant 10-10s : Modles vrais ou faux ?

A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs.

Dbut de rponse vers 2007-2008

6- t=1 000 000 annesT= - 250 C

La gravit intervient :Coalescence des gaz datomes en nuages gants:Formation des premires toiles gantes, des galaxies, des amas.Premires toiles synthtisent des noyaux lourds, meurent,jectent dans lespace la matire premire de nouvelles toiles etdes plantesDomaine de lastrophysique

5- t=300 000 ansT=10 000 C

La force lectromagntique intervient :Noyaux et lectrons se lient pour former les atomesDomaine de la physique atomique

1- t=10 -43sT=?

Modles dexplosion de lUnivers :Inflation

2- t=10 -32sT=10 27 C

Soupe de particules lmentaires :Quarks, electrons, neutrinos.Indications exprimentales aux plus hautesnergies ralises en laboratoire.

3- t=10 -6sT=10 13 C

Quarks se lient en protons, neutronsDomaine de la physique des particules

4- t=200 sT=10 9 C

Protons et neutrons se lient en noyaux lgers :Hydrogne, Hlium, LithiumDomaine de la physique nuclaire

1 2 3 4 5 6 7

7- t=14 milliards dannes : AujourdhuiT=-270 C

Nous pour essayer de comprendre

Puissance de la centrale nuclaire solaire :

4 1017 i


93/98

93

4 1017gigawatt20 milliards de milliards

de centrales nuclaires

Cest quoi, lnergie du Soleil reue sur Terre? 1 kilowatt/m2

98% : rayonnementau cur du soleil1 million d annes pour traverser le soleil !nergie rduite dun facteur 1 million :rayonnement rayonnement visiblepar hasard?

2% : neutrinos8 minutes du centre du soleil la terre

Pourquoi vous parler de neutrinos?Pourquoi vous parler de neutrinos?


94/98

94

Prtexte pour parler des particules lmentaires : les composanultimes de la matire et des forces qui les structurent.

lmentaires: sans structure plus petite jusqu preuve du contrair

Sa charge lectrique, son rayon sont nuls,Sa masse quasi nulle : moins du 1 / 500 000 de celle de llectronLUnivers est quasi transparent aux neutrinos

Prtexte pour parcourir une partie de lhistoire de la physique au Xeme

siecle


95/98


96/98

Les neutrinos du Big-Banget la matire noire de lUnivers

La matire noire de lUnivers : dtecte par effets gravitationnelsVitesse de rotation des toiles en fonction

de la distance au cur de la galaxie disque galactique


97/98

97

Au moins 80% de la matire de lUnivers est noireet de nature inconnue.

r (kpc)

v (km/s)de la distance au cur de la galaxie

Loi deNewton

mesuresdisque galactiquedans halo sphriquede matire non visible

Les neutrinos contribuent au spectacle desgalaxies depuis 10 milliards dannes, mais

pas seuls

densite d'energie

relative

matiere ordinaire 10


98/98

98

pas seulsdont lumineuse 1

neutrinos 0.7 17

radiation 0.012

matiere noire 67

De nouvelles particules ? Modles vrais ou faux ?A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs.Sans doute une rponse avant 2010

univers des neutrinos 2006

Documents