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Lexpérience du CERN: le rêve, moteur de l invention organisation européenne intergouvernementale dédiée à la recherche fondamentale en Physique des Particules.

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1 Lexpérience 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 employés: physiciens applied, ingénieurs, techniciens 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 lindustrie. gouvernance : Conseil et Direction. Comités scientifiques: jugement des pairs. Défi de la gestion des grands projets et expériences

2 Accélération des particules projectiles : e ±, p, p, etc Collision entre projectiles: lénergie cinétique devient masse, E = mc 2 Des particules neuves sont créées Notre travail: détection, mesure et identification de ces particules Beaucoup de technologies de pointe nécessaires p p Que fait le CERN? LEP LHC

3 On guide et on accélère On détecte On trie et on analyse 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 sélectivité ~ 10 7 volume à traiter ~ celui du réseau mondial de télécom en 2003 volume à enregistrer ~ Encyclopedia Britannica par s ATLAS ou CMS au LHC nombre de physiciens ~ 2000 nombre dinstituts ~ 150 nombre de pays ~ 50 WEB, GRID, une gestion scientifique intelligente...

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

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

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7 ATLAS

8 Atlas: événement dans le cas de grandes dimensions supplémentaires Très haute luminosité, do ù : Forte irradiation Sélectivité extrême (10 7 ) Flux dinformation gigantesque

9 EXEMPLE DE CMS 250 m 2 de détecteurs micro-pistes en silicium 20 millions de canaux délectronique cristaux de tungstate de plomb du fer récupéré des obus des bateaux de guerre russes 10 9 interactions par seconde par seconde, un volume de données égal à Encyclopedia Britannica un taux de données traitées par son event builder ~ égal à celui du réseau mondial de télécom en 2003

10 ATLAS introduction des pixels toro ï des du tonneau au courant nominal CMS soléno ï de OK à 4 Tesla d é but de la descente

11 Pourquoi si grand? On veut atteindre la plus haute énergie possible pour produire les particules les plus lourdes et la longueur donde 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 fl è che ~ L 2 B / E Il est impossible à présent de réaliser plus de 9 Tesla dans les aimants de la machine, do ù la tr è s grande circonf é rence du LHC. Il est impossible dobtenir plus de 2 à 4 Tesla dans les grands aimants des expériences. Il est également impossible de mesurer la flèche dune trajectoire à mieux que 100 microns environ. Donc une mesure précise de lénergie réclame une grande longueur de champ magnétique et donc de très grandes tailles daimants.

12 de la détection des photons, pour le boson de Higgs, à la tomographie du marquage de la beauté à limagerie LIBO, pour la hadronthérapie du cancer Le WEB, puis la Grille (LHCG, EGEE, OpenLab) lultravide amplificateur dénergie entrée de courant chaude

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

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, jusquà 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). Cest le contenu du Modèle Standard, calculable et triomphalement validé. Nous soupçonnons fortement ces trois forces dêtreunifiées à très haute énergie (10 16 GeV), cest à dire très tôt après le Big Bang ( s) charme beauté

15 Alors, quest-ce qui ne va pas? A léchelle 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 lapparent règlage fin. La Supersymétrie? l Le MS est bizarre: par ex. pourquoi trois familles? Elles sont nécessaires à lasymétrie 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? l La Matière Noire. De quoi sagit-il? Supersymétrie? l LEnergie noire??

16 mathématiquement possible... mais rien de tel dans notre monde......si elle existe, la Supersymétrie est une symétrie brisée LA SUPERSYMETRIE LE LHC NOUS DIRA SI CELA CORRESPOND A LA REALITE OU RESTE UNE BELLE IDEE 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 lUnivers.

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

18 A priori, lois physiques symétriques entre matière et antimatière, qui auraient du sannihiler. Pourtant lUnivers (et nous) sommes là, faits de matière. Lantimatière semble avoir disparu. Une des clés est une très légère asymétrie de linteraction faible entre matière et antimatière, appelée violation de la symétrie CP. Lexpérience LHCb va en continuer létude. Le scénario exact sera difficile à déterminer. LHCb CP

19 La physique des particules nourrit la cosmologie en lui fournissant les forces et constituants à considérer au cours de lévolution de lUnivers. Inversement la cosmologie est une science observationnelle de ce labo remarquable quest lUnivers! 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 dinflation. plat froid (2.73°K) T/T~10 –5 Nobel 2006

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21 Lexpansion de lUnivers semble saccélérer. Mystère! Energie noire, constante cosmologique, ou artefact du à linhomogénéité actuelle de lUnivers? Le meilleur candidat est la particule la plus légère de la Supersymétrie, stable et fossile dans lUnivers. La découverte de la Supersymétrie ferait donc dune pierre deux coups. étoiles, poussières rotation des galaxies

22 Un problème majeur et peut-être une solution: Mécanique quantique et Relativité générale ne font pas bon ménage. A lapproche de léchelle de Planck il faut pourtant quelles sentendent. Divergences (infinis): le point semble être une fâcheuse abstraction. Lidée est de bâtir le monde à partir dobjets de taille finie. Cest la théorie des Supercordes (G.Veneziano, J. Scherk, etc). Cette théorie nest viable que dans un espace à 10 ou 11 dimensions. Notre monde a trois dimensions despace. Où sont les autres? Compactifiées. A quelle taille? Entre 100 microns et la longueur de Planck (10 –33 cm). La limite dépend de quelles forces et objets ont accès à ces dimensions supplémentaires. Si tu ne vas pas à Planck, Planck viendra à toi ex.1: la gravité semble faible parce quelle est la seule à se diluer dans les extradimensions ex.2: la gravité semble faible car elle reste localisée près dune brane qui nest pas la nôtre Lisa Randall

23 nombre de possibilités de compactifications ~ A chaque point de lespace-temps, attacher un espace supplémentaire sphère espace à 6 dimensions vue dartiste Associé à lidée dinflation permanente, cela veut dire quautant dunivers, avec des jeux de paramètres différents, ont été essayés. Nous sommes dans un univers qui a réussi. Avec autant dessais, inutile de se poser la question dun règlage fin. Un tournant dans la science?

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 dune théorie explicative comme la Supersymétrie? De telles explications ont déja eu lieu en physique moderne: par exemple invention et découverte de lantiparticule. Argumentation anthropique ou non, il nen 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 NEST 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 lanneau LEAR, quelques atomes dantihydrogène furent créés. En 2002, sur lAD (Anneau de Décélération) on en a fait quelques A ce rythme il faudrait années pour remplir un ballon denfant dantihydrogène. Si même on savait stocker toute lantimatière jamais produite au CERN et lannihiler cela ne tiendrait allumée une ampoule électrique que quelques minutes. Pour faire la bombe du roman il faudrait ~ années de fonctionnement.

26 Modèle Standard théorie effective valable jusquà extradimensions de grande taille solutions au petit problème de hiérarchie: le Petit Higgs, … davantage de symétrie: Supersymétrie, Grande Unification nouvelles forces et/ou nouveaux constituants: brisure forte de la symétrie électrofaible, Technicouleur désaccord avec les mesures de précision? m h 2 logarithmique en léchelle de Planck à plus basse énergie? on oublie les problèmes de hiérarchie Split SUSY, arguments anthropiques

27 top Higgs SUSY dimensions supplémentaires difficile! x masse ET miss masse

28 Comment sest brisée la symétrie électrofaible? Le photon est de masse nulle, le Z 0 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? Lespace a-t-il de grandes dimensions supplémentaires? O ù est pass é e l antimati è re? Pourquoi quelque chose plutôt que rien? Le LHC le dira durée de vie du proton? Le LHC le dira peut-être Le LHC le dira peut-être Usines à Beauté, LHC, physique des neutrinos?


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