La quête de l'origine de la matière Jessica Levêque Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules L'aventure du LHC.

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1 La quête de l'origine de la matière Jessica Levêque Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules L'aventure du LHC

2 Pourquoi cherche-t-on ? Depuis la nuit des temps, l'humain se questionne Il cherche à SAVOIR. Mais personne ne sait pourquoi il cherche “We are a way for the Cosmos to know itself” Carl Sagan (philosophe et exobiologiste)

3 “Pourquoi...” Une théorie doit être falsifiable. Toutes ses prédictions doivent être vérifiées expérimentalement. “Pourquoi ?” n'est jamais la bonne question en science La science s'occupe de répondre à la question “Comment ?” Comment définit-on la science ? une observation, puis la construction d'une théorie une mise à l'épreuve des prédictions de la théorie Au cours de notre histoire, beaucoup de théories sont mortes. Et d'autres ont vu le jour.

4 Evolution d'une théorie: l'atome Niels Bohr, 1922 Les électrons occupent des orbites précises. Mécanique quantique Werner Heisenberg, Max Born, 1927 Principe d'incertitude Modèle probabiliste Démocrite, 420 avant J.C. L'atome est indivisible. La matière contient du vide. J.J. Thomson, 1904 L'atome est sécable. C'est un pudding aux électrons. Ernest Rutherford, 1910 L'atome contient un tout petit noyau. Il est vraiment vide. Modèle planétaire.

5 Le modèle de l'Univers... L'espace et le temps sont absolus Faux. La masse définit la géométrie de l'espace-temps (Albert Einstein, 1916) L'Univers est petit et statique Faux. Il y a des milliers de galaxies. L'Univers est en expansion... (Edwin Hubble,1929)...accélérée (Perlmutter, Riess, 1998) La Terre est plate Faux. elle est ronde (Eratostène, 200 avant J.C.) La Terre est au centre de l'Univers Faux. Le soleil est au centre (Nicolas Copernic, 1511)

6 Nos théories aujourd'hui L'infiniment grand: Relativité Générale Modèle du Big Bang L'infiniment petit: Mécanique Quantique Modèle Standard

7 Le Modèle du Big Bang Evolution de l'Univers L'Univers a 13,4 milliards d'années L'Univers à ses débuts, était très homogène, très chaud et très dense Aujourd'hui, il se refroidit, il est presque vide, et il est en expansion accélerée La “photo” la plus précise de notre Univers dans son jeune âge (380 000 ans à peine) Image du satellite Planck Publiée le 22 mars 2013 ! En accord quasi-parfait avec notre modèle du Big-Bang

8 Que contient l'Univers ? On n'en sait presque rien ! Les étoiles tournent beaucoup trop vite dans les galaxies Les galaxies spirales ne devraient pas exister L'Univers accélère, alors qu'on ne connait aucune force répulsive à grande distance (gravitation = attraction) Deux très gros problèmes: il existe 26% de “masse” dont la nature nous est complètement inconnue: Matière Noire 68% de l'énergie contenue dans l'Univers est un “truc” dont on ne sait rien: Energie noire 27% 68% 5%

9 L'infiniment petit 1932: Électron Proton Neutron La fin de l'histoire ?

10 Les rayons cosmiques 1912, Victor Hess, expériences en ballon

11 Refuge des Cosmiques Créé par Louis Leprince-Ringuet Utilisé entre 1945 et 1950 pour étudier les rayons cosmiques

12 1932-1960: le foisonnement Découverte de l'anti-matière, prédite par Paul Dirac en 1931 Mise en évidence de dizaines de nouvelles particules !         , K +, ... Plein de nouvelles questions: Où est passée l'anti-matière dans l'univers ? Comment classer ces particules ? Comment expliquer leurs désintégrations ?

13 Les briques élémentaires de matière (en 1964) Comment expliquer les désintégrations ? Et comment expliquer la formation des particules composites ?

14 3 interactions fondamentales Interaction = échange d'un boson Photon Interaction électromagnétique Les particules chargées s'attirent ou se repoussent en échangeant des photons Interaction faible Les quarks “changent de saveur” par échange d'un boson W ou Z Gluon Interaction forte Les quarks sont “collés” entre eux par échange de gluons

15 Et nos désintégrations compliquées... Deviennent simples ! 1964 un seul boson connu: le photon 1975 mise en évidence des quarks 1979 mise en évidence des gluons 1983 découverte des bosons W et Z

16 la matière Les interactions Le Modèle Standard Nos atomes Très grande masse (~90 fois celle du proton) masse nulle

17 Le dernier boson... Proposé par Peter Higgs, François Englert et Robert Brout en 1964 Ce boson de Higgs interagit avec les bosons Z et W pour leur donner une masse, mais pas avec le photon

18 Le mécanisme de Higgs

19 Le 4 juillet 2012 au CERN

20 La découverte du boson

21 Le CERN 1954 Genève: 12 états s'allient pour créer le CERN et reconstruire une communauté scientifique européenne détruite après la seconde guerre mondiale Aujourd'hui : 20 états membres 2500 employés 10 000 visiteurs par an 113 nationalités 608 universités et instituts de recherche

22 Le LHC Tunnel de 27 km de circonférence 1232 aimants supraconducteurs (15m de long,15 t) Parcourus par un courant de 11 700 Ampères 1 milliard de collisions de protons par seconde

23 Les 4 expériences du LHC Etude de l'asymétrie matière/anti-matière Recherche du boson de Higgs et de la matière noire Etude du plasma de quarks-gluons Confinement 10 000 physiciens, ingénieurs et techniciens !

24 Gigantisme

25 Elaboration du projet LHC et des expériences dans les années 90 Approuvé en 1994 Mis en service en 2008 Pari technologique 10 ans !

26 Expérimentation technologique Les aimants du LHC: -271 degrés Celsius Le plus grand laboratoire de cryogénie en opération 24h/24. Savoir-faire unique au monde.

27 Ultra-haute technologie 20 ans de recherche et développement Des milliers de composants électroniques et de matériaux innovants mis au point dans les laboratoires de recherche Des milliers d'ingénieurs et de techniciens ayant développé des compétences uniques Et les outils du futur !

28 Vague, but exciting... 1989: projet de Tim Berners-Lee au management du CERN Nouvel outil permettant le partage instantané d'informations entre les physiciens du monde entier Le web était né !

29 Science GRID Mise en commun de ressources informatiques à l'échelle planétaire pour traiter les milliers de terabytes de données Aide au développement pour les pays émergents

30 Une aventure humaine La plus grande collaboration internationale jamais créée par l'homme. Des milliers de personnes, réparties sur (presque) toute la planète participent à un projet unique, bien au-delà de leurs différences et parfois des conflits entre leurs pays Francois Englert: “ Le CERN devrait recevoir le prix Nobel de la Paix “

31 Et ensuite ?

32 “La vie c'est comme une bicyclette. Il faut avancer pour ne pas perdre l'equilibre” Albert Einstein “La vérite recule, mais le savant avance” Henri Poincaré

33 Il reste beaucoup de questions... Le boson est-il vraiment de Higgs ? Qu'est-ce que la matière noire ? Et l'énergie noire ? Où est passée l'anti-matière ? AMS Résultats rendus publiques demain !

34 A suivre... Il reste beaucoup de questions... Et tout l'Univers à explorer !

35 Curiosity sur Mars

36

37 Combien ça coûte ? Construction du LHC + 4 expériences: 7 milliards d'euros dépensés sur 15 ans 60% payés par le CERN (22 pays) 40% partagés entre les collaborations (113 pays) Soit (rapporté par année): 0.1% de la crise des subprimes (500 milliards en 1 an) 0.5% de la guerre en Irak (600 milliards sur 7 ans) 0.7% de la fraude fiscale en France (60 milliards par an) 2 Charles de Gaulle (3 milliards) 1 seul si on compte les 40 rafales qui vont dessus L'expérience scientifique la plus onéreuse de l'histoire !

38 Discovery vs prediction

39 Fête Israelo-Palestinienne @ CERN http://cds.cern.ch/record/1054838?ln=fr

40 Comment “voir” une particule ? 1912 Charles Wilson: la chambre à brouillard (prix Nobel) Principe: gaz en état de “sursaturation”. Il est gazeux, alors qu'il devrait être liquide. Les particules qui traversent déposent une toute petite quantité d'énergie......suffisamment pour transformer le gaz en liquide Elles créent des petites gouttelettes sur leur passage, que l'on photographie La découverte du muon