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

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

pp

Que fait le CERN?

LEP

LHC

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 hauteprécision, intégration

sélectivité ~ 107

volume à traiter ~ celui du réseau mondial de télécom en 2003volume à enregistrer ~ 10000Encyclopedia Britannica par s

ATLASou CMSau LHC

nombre de physiciens ~ 2000nombre d’instituts ~ 150nombre de pays ~ 50WEB, GRID, une gestionscientifique intelligente...

bulles

étincelles

premier W (1983)

LEP1989-2000

G.Charpak:révolution de 68

détecteurs proportionnels

multifils et leursvariantes Actuellement, montée en puissance des

détecteurs semiconducteurs au silicium

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

ATLAS

Atlas: événement dans le cas de “grandes” dimensions supplémentaires

Très haute luminosité, d’où:Forte irradiation Sélectivité extrême (107) Flux d’information gigantesque

EXEMPLE DE CMS250 m2 de détecteurs

micro-pistes en silicium20 millions de canaux

d’électronique80000 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 10000Encyclopedia Britannica

un taux de données traitées par son “event builder”~ égal à celui du réseau

mondial de télécom en 2003

ATLAS introduction des pixelstoroïdes du tonneau au courant nominal

CMS solénoïde

OK à 4 Tesla début de la descente

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 aimantsdes 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.

de la détection des photons, pour le boson de Higgs, à la tomographie

du marquage de la beauté à l’imagerie

LIBO, pour la hadronthérapie du cancer

Le WEB, puis la Grille

(LHCG, EGEE, OpenLab)

l’ultravideamplificateur d’énergie

entrée de

courantchaude

Un super-microscope: ~ 1/E “la faute à de Broglie ”

leptons

quarks

univers transparent

380000ans

“archéologie” de l’universquelles furentses transitions

de phase?pourquoi

quelque choseplutôt que rien?

LHC2007

Les objets de nos études

grandeunification

2008

On a compris quels sont les constituantsde 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

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??

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 CELACORRESPOND A LA REALITEOU RESTE UNE BELLE IDEE

La Supersymétrie (SUSY pour les intimes) présente beaucoup de progrès

par rapport au Modèle Standard.

Elle corrige certains de ses défautsde cohérence les plus graves.

En outre elle pourrait apporterla réponse au problème de la Masse Cachée de l’Univers.

Baryogénèse: asymétrie matière–antimatière, clé de notre existence: quand s’est-elle jouée?

L’Univers “liquide parfait” à cet instant?

~ 10–11 s: brisure de la symétrie électrofaible, les particules

acquièrent leur masseHiggs, ou mécanisme équivalent?Supersymétrie et matière noire?“Grandes” extra dimensions?

~ 10–33s: Grande Unification? instabilité du proton?

~ 10–44s: temps de Planck, Supercordes?

expérience ALICEau LHC

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

CP

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 unephase d’“inflation”.

platfroid (2.73°K) T/T~10–5

Nobel 2006

L’expansion de l’Universsemble 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 Supersymétrieferait donc d’une pierre deux coups.

étoiles, poussières

rotation desgalaxies

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.

Si tu ne vas pas à Planck, Planck viendra à toi

ex.1: la gravité semble faible parce qu’elle est la seule à se diluer dans les extradimensions

ex.2: la gravité semble faible car elle reste localisée près d’une “brane” qui n’est pas la nôtre

Lisa Randall

nombre de possibilités de

compactifications ~ 10500

A chaque point de l’espace-temps,attacher un espace supplémentaire

sphère

espace à 6 dimensions

vue d’artiste

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 laquestion d’un règlage fin. Un tournant dans lascience?

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.

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 biencompliqué 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 25 1015 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 ~ 2 109 années de fonctionnement.

ModèleStandard

théorie effective valable jusqu’à

extradimensions de “grande taille”

solutions au “petit problème” de hiérarchie:

le “Petit Higgs”, …

davantage de symétrie: Supersymétrie, Grande Unification

nouvelles forces et/ounouveaux constituants:

brisure “forte” de la symétrie électrofaible,

Technicouleurdésaccord avec les mesures de précision?

mh2 logarithmique en

l’échelle de Planckà plus basse énergie?

on “oublie” les problèmes de

hiérarchie“Split SUSY”,

argumentsanthropiques

top

Higgs

SUSY

dimensionssupplémentaires

difficile!

x

masse

ETmiss masse

masse

Comment s’est brisée la symétrie électrofaible?Le photon est de masse nulle, le Z0 pèse 91 GeVComment 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?

Le LHC le dira

Le LHC le dira peut-être

Le LHC le dira peut-être

Usines à Beauté,LHC, physiquedes neutrinos?