L’expérience du CERN: le rêve, moteur de l’invention

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1 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

2 Que fait le CERN? 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 LEP LHC p p

3 et on “accélère” détecte On trie et on analyse On guide On ATLAS
supraconductivité, cryogénie He superfluide, soudures, etc matériaux, surfaces, ultravide métrologie, excellente résolution spatiale et temporelle, électronique rapide, durcie, bon marché mécanique de haute précision, intégration nombre de physiciens ~ 2000 nombre d’instituts ~ 150 nombre de pays ~ 50 WEB, GRID, une gestion scientifique intelligente... sélectivité ~ 107 volume à traiter ~ celui du réseau mondial de télécom en 2003 volume à enregistrer ~ 10000 Encyclopedia Britannica par s ATLAS ou CMS au LHC

4 LEP bulles étincelles premier W (1983) G.Charpak:
G.Charpak: révolution de 68 détecteurs proportionnels multifils et leurs variantes Actuellement, montée en puissance des détecteurs semiconducteurs au silicium

5 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 ») quark gluon etc... multi-jets, leptons, photons

6

7 ATLAS

8 Très haute luminosité, d’où:
Atlas: événement dans le cas de “grandes” dimensions supplémentaires Très haute luminosité, d’où: Forte irradiation Sélectivité extrême (107) Flux d’information gigantesque

9 EXEMPLE DE CMS 250 m2 de détecteurs micro-pistes en silicium
20 millions de canaux d’électronique 80000 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 10000 Encyclopedia Britannica un taux de données traitées par son “event builder” ~ égal à celui du réseau mondial de télécom en 2003

10 CMS solénoïde OK à 4 Tesla début de la descente
ATLAS introduction des pixels toroïdes du tonneau au courant nominal

11 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 aimants des 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.

12 amplificateur d’énergie
Le WEB, puis la Grille (LHCG, EGEE, OpenLab) de la détection des photons, pour le boson de Higgs, à la tomographie LIBO, pour la hadronthérapie du cancer du marquage de la beauté à l’imagerie amplificateur d’énergie l’ultravide entrée de courant chaude

13 “archéologie” de l’univers
Les objets de nos études Un super-microscope:  ~ 1/E “la faute à de Broglie ” leptons 2008 LHC 2007 quarks “archéologie” de l’univers quelles furent ses transitions de phase? pourquoi quelque chose plutôt que rien? grande unification univers transparent 380000 ans

14 On a compris quels sont les constituants
de 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

15 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??

16 LA SUPERSYMETRIE La Supersymétrie (SUSY pour les
intimes) présente beaucoup de progrès par rapport au Modèle Standard. Elle corrige certains de ses défauts de cohérence les plus graves. En outre elle pourrait apporter la réponse au problème de la Masse Cachée de l’Univers. mathématiquement possible... mais rien de tel dans notre monde... LE LHC NOUS DIRA SI CELA CORRESPOND A LA REALITE OU RESTE UNE BELLE IDEE ...si elle existe, la Supersymétrie est une “symétrie brisée”

17 ~ 10–33s: Grande Unification? instabilité du proton?
~ 10–44s: temps de Planck, Supercordes? ~ 10–11 s: brisure de la symétrie électrofaible, les particules acquièrent leur masse Higgs, ou mécanisme équivalent? Supersymétrie et matière noire? “Grandes” extra dimensions? L’Univers “liquide parfait” à cet instant? expérience ALICE au LHC Baryogénèse: asymétrie matière–antimatière, clé de notre existence: quand s’est-elle jouée?

18 CP 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

19 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 une phase d’“inflation”. plat froid (2.73°K) T/T~10–5 Nobel 2006

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21 L’expansion de l’Univers semble s’accélérer. Mystère!
rotation des galaxies étoiles, poussières L’expansion de l’Univers semble 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 Supersymétrie ferait donc d’une pierre deux coups.

22 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. ex.1: la gravité semble faible parce qu’elle est la seule à se diluer dans les extradimensions Lisa Randall Si tu ne vas pas à Planck, Planck viendra à toi ex.2: la gravité semble faible car elle reste localisée près d’une “brane” qui n’est pas la nôtre

23 nombre de possibilités de compactifications ~ 10500
sphère A chaque point de l’espace-temps, attacher un espace supplémentaire espace à 6 dimensions nombre de possibilités de compactifications ~ 10500 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 la question d’un règlage fin. Un tournant dans la science? vue d’artiste

24 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.

25 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 bien compliqué 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 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 ~ années de fonctionnement.

26 Modèle Standard solutions au “petit problème” de hiérarchie:
le “Petit Higgs”, … extradimensions de “grande taille” l’échelle de Planck à plus basse énergie? on “oublie” les problèmes de hiérarchie “Split SUSY”, arguments anthropiques Modèle Standard théorie effective valable jusqu’à  nouvelles forces et/ou nouveaux constituants: brisure “forte” de la symétrie électrofaible, Technicouleur davantage de symétrie: Supersymétrie, Grande Unification mh2 logarithmique en  désaccord avec les mesures de précision?

27 Higgs  top SUSY x difficile! masse masse dimensions supplémentaires
ETmiss masse

28 Comment s’est brisée la symétrie électrofaible?
Le photon est de masse nulle, le Z0 pèse 91 GeV Comment 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? peut-être Usines à Beauté, LHC, physique des neutrinos?