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Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié1 Panorama des expériences: IN2P3-IRFU Bruno Mansoulié Service de Physique des Particules IRFU (Institut de.

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1 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié1 Panorama des expériences: IN2P3-IRFU Bruno Mansoulié Service de Physique des Particules IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de lUnivers) Division des Sciences de la Matière CEA / Saclay

2 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié2 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…

3 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié3 Une façon de voir: évolution de lunivers Théorie du Big Bang: –A t = 0, univers très dense, très chaud, distances très petites –Puis: expansion: D,, T –Age actuel de lunivers: ~ 13 ± années Relation température/énergie –dans un milieu en équilibre thermique, E cinétique particules : distribution de Boltzmann, énergie moyenne ~ kT. Pour particules: 1 eV K Remonter dans le temps –=> univers de + en + dense et chaud, énergie des particules de + en + élevées => relation physique des particules/cosmologie.

4 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié4 Évolution de lunivers du Big Bang à aujourdhui TempsEnergie/température Physique s10 19 eV= MPlanckGravitation quantique: on ne sait rien! Cordes?? Théorie « unique » s10 16 eV Séparation interaction forte/électrofaible quarks, leptons s100 GeVSéparation interactions EM et faible quarks, électrons s1 GeVLes quarks sassemblent en hadrons pions, protons, neutrons… 3 min1 MeV Formation des noyaux H, D, 3 He, 4 He, Li… + électrons + photons ans 1eV Formation des atomes « Découplage » des photons => rayonnement fossile Non thermaliséFormation des structures: galaxies,etc.. Naissance des étoiles…

5 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié5 Evolution: unification/séparation des forces 2 façons de voir: - Evolution de lunivers dans le temps - Aujourdhui: structure de la matière à des échelles de plus en plus petites

6 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié6 Autre vision: sources de particules Cosmiques (observatoires, satellites) –Photons (toutes longueurs dondes: radio… de 100 TeV) –Neutrinos (Antares) –Protons etc. (gamme dénergie… 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, …)

7 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié7 Site, taille et type des expériences Très grandes collaborations, détecteurs multiples et complexes, ME –Centres mondiaux: CERN : ex Atlas, CMS: 2000 physiciens. –Satellites Grandes collaborations, détecteurs « orientés », 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)…

8 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié8 Technologies et moyens Diversité des utilisations, unité des technologies et méthodes Détection exemples: –Silicium: CMS (Cern LHC), Glast (satellite), Must (ganil) –Lumière: PMs, 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

9 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié9 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.

10 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié10 Collisionneurs haute énergie Physique: exploration, nouvelles particules (Higgs, Susy…), tests Modèle Standard –Aujourdhui: le Modèle Standard est toujours confirmé! Succession daccélérateurs 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 dexploitation ? 4 expériences: –ATLAS, CMS, (haute énergie: Higgs, Susy…) –ALICE (nucléaire: quarks, gluons) –LHCb (matière antimatière) IN2P3 dans les 4, IRFU: Atlas, CMS, Alice –Aujourdhui: ~ 70 physiciens à lIRFU ~250 à lIN2P3

11 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié11 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 lasymétrie originelle: –Big-Bang: matière = antimatière => annihilation. Asymétrie => reste 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 lIRFU (5 personnes!) –Voir « tomber » lanti hydrogène!? Source intense de positons, pièges, positronium, Cern AD

12 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié12 Neutrinos Neutrino particule un peu à part, sensible seulement à linteraction faible, masse presque nulle… Renouveau complet depuis ~10 ans: les neutrinos ont des masses, se mélangent! Source dasymétrie matière-antimatière dans lunivers? 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 lasymétrie 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)

13 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié13 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…

14 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié14 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 dions – Ions radio-actifs (Spiral) –futur: Spiral2 Détecteurs « facilities » –Traces: INDRA, VAMOS, MUST… –Gammas: Eurogam, Euroball… Futur: AGATA Superdéformé Octupolaire

15 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié15 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 dions lourds –RHIC (2000-), exp STAR et PHENIX Collisions Au + Au –Futur: LHC ( Pb-Pb), exp ALICE Premières données !

16 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié16 Structure du nucléon Nucléon: proton, neutron Assemblage de quarks et de gluons, plus compliqué quil nen a lair! –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…

17 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié17 Astrophysique (IRFU) Cosmologie (voir astroparticules) –Origine et évolution de lunivers 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 donde » –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)

18 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié18 Astroparticules Cosmologie –Contenu énergétique de lUnivers Le mystère de la matière noire et de lénergie 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 Matière noire baryonique Énergie noire Matière noire non baryonique

19 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié19 Cosmologie Contenu énergétique de lunivers? –Géométrie de lunivers (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…)

20 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié20 Matière noire Détection indirecte: observations –Comportement des amas de galaxies (XMM, MegaCam) –Collisions de galaxies –Recherche des produits dannihilation (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)…

21 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié21 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

22 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010B.Mansoulié22 Conclusion Cette présentation: « expériences ». Il y a aussi laspect « accélérateurs, cryogénie, magnétisme », sans oublier lenseignement et la valorisation. IN2P3 et IRFU: forte unité intellectuelle sur « les lois fondamentales de lUnivers » Grande synergie des moyens techniques: nhésitez pas à penser « transverse »!


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