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

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 g, n … Nucl /Astro : Nucléosynthèse, évolution étoiles… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Une façon de voir: évolution de l’univers Théorie du Big Bang: A t = 0 , univers très dense, très chaud, distances très petites Puis: expansion: D ↑, r ↓, T↓ Age actuel de l’univers: ~ 13 ± 1 109 années Relation température/énergie dans un milieu en équilibre thermique, E cinétique particules : distribution de Boltzmann, énergie moyenne ~ kT. Pour particules: 1 eV  11600 K Remonter dans le temps => univers de + en + dense et chaud , énergie des particules de + en + élevées => relation physique des particules/cosmologie. Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Évolution de l’univers du Big Bang à aujourd’hui Temps Energie/température Physique 10-39 s 1019 eV= MPlanck Gravitation quantique: on ne sait rien! Cordes?? Théorie « unique » 10-35 s 1016 eV Séparation interaction forte/électrofaible quarks, leptons 10-10 s 100 GeV Séparation interactions EM et faible quarks, électrons 10-6 s 1 GeV Les quarks s’assemblent en hadrons pions, protons, neutrons… 3 min 1 MeV Formation des noyaux H, D, 3He, 4He, Li… + électrons + photons 300 000 ans 1eV Formation des atomes « Découplage » des photons => rayonnement fossile Non thermalisé Formation des structures: galaxies,etc.. Naissance des étoiles… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Evolution: unification/séparation des forces 2 façons de voir: Evolution de l’univers dans le temps Aujourd’hui: structure de la matière à des échelles de plus en plus petites Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Autre vision: sources de particules Cosmiques (observatoires, satellites) Photons (toutes longueurs d’ondes: radio… g de 100 TeV) Neutrinos (Antares) Protons etc. (gamme d’énergie… 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, …) Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Site, taille et type des expériences Très grandes collaborations, détecteurs multiples et complexes, 100-500 ME Centres mondiaux: CERN : ex Atlas, CMS: 2000 physiciens. Satellites Grandes collaborations, détecteurs « orientés », 20-100 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)… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Technologies et moyens Diversité des utilisations, unité des technologies et méthodes Détection exemples: Silicium: CMS (Cern LHC), Glast (satellite), Must (ganil) Lumière: PM’s, 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 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

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. Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Collisionneurs haute énergie Physique: exploration, nouvelles particules (Higgs, Susy…), tests Modèle Standard Aujourd’hui: le Modèle Standard est toujours confirmé! Succession d’accélérateurs 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 d’exploitation ? 4 expériences: ATLAS, CMS, (haute énergie: Higgs, Susy…) ALICE (nucléaire: quarks, gluons) LHCb (matière antimatière) IN2P3 dans les 4, IRFU: Atlas, CMS, Alice Aujourd’hui: ~ 70 physiciens à l’IRFU ~250 à l’IN2P3 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

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 l’asymétrie originelle: Big-Bang: matière = antimatière => annihilation. Asymétrie => reste 10-9 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 l’IRFU (5 personnes!) Voir « tomber » l’anti hydrogène!? Source intense de positons, pièges, positronium, Cern AD Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Neutrinos Neutrino particule un peu à part, sensible seulement à l’interaction faible, masse presque nulle… Renouveau complet depuis ~10 ans: les neutrinos ont des masses, se mélangent! Source d’asymétrie matière-antimatière dans l’univers? Radiactivité naturelle: NEMO (tunnel Modane) Le neutrino est-il sa propre antiparticule? Réacteur: Double-Chooz (centrale EDF) (2010-) q13, le dernier paramètre inconnu du mélange des neutrinos avant l’asymétrie 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) Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

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… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

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

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 d’ions lourds RHIC (2000-), exp STAR et PHENIX Collisions -> Au + Au Futur: LHC (-> Pb-Pb) , exp ALICE Premières données ! Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Structure du nucléon Nucléon: proton, neutron Assemblage de quarks et de gluons, plus compliqué qu’il n’en a l’air! 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… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Astrophysique (IRFU) Cosmologie (voir astroparticules) Origine et évolution de l’univers 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 d’onde » 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) Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Astroparticules Cosmologie Étoiles Contenu énergétique de l’Univers Matière noire baryonique Énergie non baryonique Cosmologie Contenu énergétique de l’Univers Le mystère de la matière noire et de l’énergie 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… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Cosmologie Contenu énergétique de l’univers? Géométrie de l’univers (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…) Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Matière noire Détection indirecte: observations Comportement des amas de galaxies (XMM, MegaCam) Collisions de galaxies Recherche des produits d’annihilation (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)… Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Sources cosmiques Auger 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 Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié

Conclusion Cette présentation: « expériences ». Il y a aussi l’aspect « accélérateurs, cryogénie, magnétisme », sans oublier l’enseignement et la valorisation. IN2P3 et IRFU: forte unité intellectuelle sur « les lois fondamentales de l’Univers » Grande synergie des moyens techniques: n’hésitez pas à penser « transverse »! Cours IN2P3 Fréjus Novembre 2010 B.Mansoulié