Commentaires pour le diaporama : Compte rendu du stage au CERN

Commentaires pour le diaporama : Compte rendu du stage au CERN

Diapo 1 : Récit d’une semaine de stage au CERN, pour donner un aperçu du contenu d’une telle
formation.
Tous les diaporamas proposés par les conférenciers ont été mis en ligne à l’adresse ci-dessus.

Diapo 2 : Ce stage à été proposé conjointement par le CERN et l’IN2P3 (Institut National de Physique
Nucléaire et de Physique des Particules). Il a été financé par l’IN2P3.
Nous étions 30 enseignants du second degré ou de classes préparatoires à participer à cette semaine de
formation.

Diapo 3 : Nous avons fait connaissance avec les autres stagiaires et avec Mick Storr (qui nous a
accompagnés pendant toute la semaine) autour d’un verre à la terrasse du restaurant du CERN.

Diapo 4 : Après une courte visite du bâtiment principal du CERN, Mick nous a réunis dans le grand
auditorium pour nous donner les lignes directrices du stage et nous expliquer pourquoi le CERN et
l’IN2P3 ont décidé de mettre en œuvre de tels stages à l’intention des professeurs de lycée.
Le grand auditorium a été et est encore aujourd’hui le lieu de nombreuses présentations de découvertes
majeures en physique.

Diapo 5 : Monsieur Robert Aymar nous a accueillis pour nous donner les grandes lignes de l’histoire du
CERN et « justifier » notre présence à ce stage.
Des français ont créé le CERN après la seconde guerre mondiale (en 1954) : c’est une structure
internationale, un organe de recherche, un lieu d’expériences, d’une grande technicité, un immense
savoir-faire. La création du CERN a précédé la construction de l’Europe en 1957.
Le CERN a été implanté en Suisse car il s’agit d’un pays neutre. Il y a eu ensuite une extension
géographique vers la France à cause des dimensions considérables des accélérateurs.
Il nous a expliqué, en autre, le financement du CERN : 20 pays qui participent en % du PIB exprimé en
Franc Suisse. Les laboratoires américains ne participent pas au financement. De nombreux pays
voudraient être membre du CERN.

Diapo 6 : Stephan Petit a ensuite détaillé tous les thèmes abordés par Monsieur Aymar.
D’abord la Structure du CERN en termes humain, matériel et institutionnel.
Les hommes :
        Chaque jour, environ 10000 scientifiques du monde entier présents au CERN.
        20 états membres, 66 pays collaborateurs.
Institutions : quelles dates …
         Le 9 décembre 1949 : Louis de Broglie (Prix Nobel en 1929) prononce un discours à Lausanne en
vue de la création du CERN.
        1953 : Signatures des 12 représentants des pays fondateurs du CERN
Le CERN a pour but de participer à la recherche fondamentale et acquérir une méthode scientifique.

Diapo 7 : Le Big bang a eu lieu il y a environ 14 Milliards d’années. En a découlé l’apparition de la
matière… et les particules élémentaires.
Depuis cet instant, la Température de l’Univers diminue mais la complexité des « combinaisons » entre
particules élémentaires augmente.
Ci-dessus, les différentes questions fondamentales auxquelles les chercheurs du CERN tentent de
répondre.
On ne connait aujourd’hui que 4 % de la matière.
D’où vient la masse de la matière ? Peut- on observer le boson de Higgs?

                                                                                                    1

Diapo 8 : Les différents outils dont les chercheurs ont besoin pour répondre à toutes ces questions.
       1.      Les accélérateurs de particules dont la technologie ne cesse d’évoluer depuis la création
du CERN : aujourd’hui le LHC.
       2.      Les détecteurs : il y en a 4 sur le LHC : ALICE, ATLAS, LHCb, CMS.
       3.      L’informatique : il y a au CERN une ferme de PC qui contient entre 8000 et 10000 PC.
               15 pétaoctets y sont traités par an ( 15 Millions de Gigaoctets par an)
               Idée développée ces dernières années : interconnecter des milliers de centres de calcul à
               travers le monde : GRID.

Diapo 9 : Le LHC (Large Hadron Collider) a pour but de recréer un mini big bang pour identifier les
particules élémentaires (en particulier le boson de Higgs).
Au sein du LHC, le vide est très poussé (ultravide) T = - 271 °C = 1,9 K. (Le vide intersidéral est à T = 3,4 K)
Le LHC est à 100 m de profondeur pour bénéficier d’un blindage naturel et éviter les problèmes
géologiques.
Sureté de la machine LHC :
       -       des énergies très inférieures à ce qui se passe dans la nature.
       -       des réactions sous contrôle.

Diapo 10 : Introduction à la cosmologie par Julien Lesgourgues, physicien théoricien du CERN.
La cosmologie est une science qui étudie l’Univers dans son ensemble, contrairement à l’astrophysique
qui ne s’intéresse qu’aux « petites structures ».

Diapo 11 et Diapo 12 : En 1923, Edwin Hubble donne la première preuve la structure galactique de
l’Univers.
Qu’en est –il de l’expansion de L’Univers? Cette expansion est-elle possible s’il n’existe pas de point
privilégie?
En 1929, Hubble publie le premier diagramme vitesse/distance  Univers est en expansion homogène.
L’expansion de l’Univers et la gravité newtonienne :
         Loi de Newton : limite de la relativité générale.
         L’Univers est-il fini ou infini?
         Loi d’expansion newtonienne propose 3 cas : univers « ouvert » (expansion infinie), univers
« plat » (cas limite), univers « fermé » (expansion puis contraction).
En fait, on est tout proche du cas Univers plat (expansion indéfinie).
Relativité générale et modèle de Freidmann-Lemaître:
         -      l’espace-temps est courbe.
         -      la courbure de l’espace-temps  matière.
         -      la chute libre d’un corps suit des géodésiques (ligne contenant les trajectoires les plus
courtes).
NEWTON : Matière  Potentiel gravitationnel  Trajectoires.
EINSTEIN : Matière  Tenseur de courbure  Trajectoires.
Modèle cosmologique : hypothèse sur le contenu de l’Univers (matière, rayonnement
électromagnétique, constante cosmologique)
Quelle composition?
S’il y a 4 composantes abondantes, il y a alors 4 époques:
         -      Rayonnement électromagnétique (domination de la radiation)
         -       Matière ordinaire ( domination de la matière)
         -      Terme de courbure spatiale ( domination de la courbure)
         -       constante cosmologique (domination du vide)

Big bang froid ou big bang chaud :
                                                                                                              2

Si Big bang froid : l’Univers ne contient que de la matière ordinaire or l’Univers contient de la matière +
rayonnement électromagnétique  BIG BANG CHAUD.
Surface de dernière diffusion  Univers observable.
Avant on a un Univers opaque, les photons ne pouvaient pas s’échapper d’une « soupe » de protons,
neutrons, électrons et photons : densité trop importante).
En 1964, Penzias et Wilson ont découvert le rayonnement électromagnétique venant de cette sphère (T
= 3 K).
Modèle des années 1970, 1980, 1990:
La matière noire - Franz Zwicky – explique la vitesse des galaxies, l’observe avec des lentilles
gravitationnelles.
MATIERE = MATIERE ORDINAIRE + MATIERE NOIRE.
Perturbations cosmologiques : anisotropie de Température. 10-5 K observée par le satellite WMAP (en
orbite autour du point de Lagrange).
Aujourd’hui, Univers :
        -      Constante cosmologique : 72%
        -      matière noire : 23 %
        -      matière ordinaire : 5 %

Diapo 13 : Visite d’une installation les plus anciennes du CERN : le complexe du PS : Synchrotron à
protons, inauguré par Niels Bohr. (1 km de circonférence)
Dans les années 1960 : accélérateur le plus puissant au monde.
Il permet d’accélérer des protons jusqu’à une énergie de 20 GeV. On pouvait injecter des protons, des
antiprotons, des électrons ou des ions lourds.
Aujourd’hui, problèmes de radioactivité sur les anciennes installations.
LEIR : machine faite pour décélérer les anti-protons ( basse énergie)
LINAC II: Accélérateur linéaire pour les protons.
LINAC III : Accélérateur linéaire pour les ions lourds.
BOOSTER : permet de créer des paquets de particules (100 Md de particules/paquet environ).

Diapo 14 : Les rayons cosmiques primaires interagissent avec les atomes  « shower » : irradiations
secondaires, particules : les muons.
Fabrication de la chambre à brouillard :
       -       1 aquarium en plastique
       -       on perce 4 trous au fond
       -       on fixe une plaque de feutre noir épais au fond de l’aquarium
       -       une boite en bois (couvercle de l’aquarium) recouverte de polystyrène + papier
aluminium
       -       une plaque de métal noire avec rigole (parois de l’aquarium dans la rigole pour assurer
l’étanchéité).
       -       alcool isopropylique à 100 % : on arrose le feutre avec l’alcool.
       -       Glace carbonique en plaques posées dans la boite en bois.

Diapo 15 : La vapeur saturée est instable. Les rayons cosmiques ionisent la vapeur d’alcool  formation
de gouttelettes.
Pour améliorer l’expérience, on peut mettre une source radioactive (ancienne montre, gaz contenant du
radon pris dans un cave non ventilée).

Diapo 16 : Visite, accès libre.

Diapo 17 : Introduction par Sandro PALESTINI (CERN)
Le passage dans la matière d’une particule avec une charge électrique implique :
                                                                                                         3

 diffusion dans le champ électrique du noyau Z+
        diffusion dans le champ électrique de l’électron
        diffusion avec excitation puis désexcitation.
On peut voir les effets de l’ionisation et les trajectoires des particules avec des méthodes anciennes :
chambres à brouillard ou chambres à bulles.
Maintenant, on utilise :
        détecteurs pour l’ionisation et les traces
        détecteurs semi-conducteurs (capables de mesurer 1 million de fois par seconde)
        détecteurs à scintillation.
Compréhension des lois fondamentales de la physique :
       -       Etude de diffusion entre particules
       -       Etude des particules instables et des résonances produites lors des interactions.
Mesure de l’énergie avec des calorimètres.
       1. Calorimètres électromagnétiques pour , e- et e+.
       2. Calorimètres par cascades hadroniques : mesure du rayonnement Tcherenkov (vague de
polarisation).

Diapo 18 : D’où la complexité de détecteurs à couches successives, pour détecter tous les types de
particules qui pourraient être créées lors des collisions dans le LHC.

Diapo 19 : La physique des particules élémentaires, le LHC, l’expérience CMS, le modèle standard par
Daniel DENEGRI (CEA Saclay)
La taille des objets :
          LEP : il a été possible de sonder la matière à 10-18 m : découvert des bosons Z et W.
          LHC : 10-18 m, 10-19 m : possible découverte du boson de Higgs.
Les constituants de la matière
ATOME  électrons (famille des leptons)
        noyau  protons (famille des hadrons)  quarks
                neutrons (famille des hadrons)  quarks
La matière est constituée de leptons et de quarks.

Diapo 20 : Les accélérateurs provoquent la collision entre particules  mini big bang  concentration
d’énergie. D’où la création de particules connues et inconnues.

Diapo 21 : Les différentes particules élémentaires – quarks et leptons- et les forces fondamentales.
          interaction forte
          interaction électromagnétique
          interaction faible
          force gravitationnelle.
Il existe une antiparticule pour chaque fermion.

Diapo 22 : Les 4 interactions de la nature sont décrites par l’échange de particules.
Interaction de coulomb et interaction faible  unification électrofaible (démontrée il y a environ 20 ans)
a été vue quand on a des énergies beaucoup plus grande que celle des bosons W (ou )
Interaction forte : tout système soumis à l’interaction forte est contenu dans un hadron (quarks et
gluons que l’on ne peut pas séparer).
Le boson de Higgs est la particule théorique qui unifie les 2 cas :
       -       le photon reste à masse nulle  portée infinie
       -       W+, W-, Z ont des masses très importantes.

                                                                                                        4

Diapo 23 : L’histoire de l’Univers.
Au début : soupe de quarks et de leptons
+ 1 µs : formation des premiers hadrons (protons et neutrons)
+  2 min : nucléosynthèse primitive ( Hélium, Hydrgène, traces de Lithium)
UNIVERS DEVIENT TRANSPARENT
300 000 ans : formation des atomes Hélium, Hydrogène)
1 Md d’années : Formation des premières étoiles : Fusion  Azote, Ca, Fe…)
        2° et 3° générations d’étoiles
4,5 Md d’années : Formation de notre Soleil
13,8 Md d’années : aujourd’hui
LHC proton-proton : exploration 10-16 s après le big bang (détecteurs ATLAS et CMS)
LEP : exploration 10-10 s après le big bang
LHC ions lourds : exploration 10-6 s après le big bang (détecteurs Alice et CMS)

Diapo 24 : Le site du LHC : 27 km de long – 6 km de diamètre – 100 m de profondeur
Construction du tunnel (LEP puis LHC) 1,5 Md de Francs suisses  1 Md d’euros.
Il a fallu s’adapter au rayon de courbure imposé par le tunnel  recherche sur le développement des
aimants.
1232 aimants supraconducteurs (dipôles) B = 8,3 T à T = 1,9 K. Chacun mesure 15,3 m.
Expériences ATLAS et CMS : « résoudre » les problèmes du modèle standard.
Expérience ALICE : étude des collisions entre noyaux
Expérience LHCb : étude de la violation de la symétrie C/P

Diapo 25 : Il contient aussi 400 aimants quadripolaires
         1200 tonnes de matériau supra
         40000 tonnes de matériau à 2 K
Prix d’un aimant de 15 m : 1 million de dollars (fin de fabrication des aimants en janvier 2007)
LINAC (1,5 GeV)  BOOSTER ( 4 GeV)  PS (26 GeV)  SPS (450 GeV)  LHC ( 7000 GeV)
Alignement dans le tunnel : 3 dipôles – 1 quadripôle – 3 dipôles – 1 quadripôle - ….
Précision d’alignement 100 µm
1 particule fait un tour en 86 ms.
Refroidissement du LHC : 2,5 à 3 mois pour passer de température ambiante à 2 K.
Le courant dans les aimants doit augmenter de 1000 A jusqu’à 12 000 A.
Le 10/09/2008 – 1ére injection du faisceau dans le LHC. Au bout d’une heure le premier faisceau
tournait, idem avec le 2ème. (à 450 GeV)
         accident sur une jonction supra
Depuis un an : contrôle des 16 000 jonctions.
Les collisions proton-proton ne sont pas aussi simples que les collisions e+ - e- du LEP.
Dans le LHC, sélection de 1 évènement sur 1014 collisions qui produirait un boson de Higgs (1 fois par
heure).

Diapo 26 et diapo 27 : Le détecteur CMS :
       -       11 cylindres (détecteurs de traces) recouverts de Si
       -      calorimètre électromagnétique (pour les photons)
       -      calorimètre hadronique (pour les pions)
       -      solénoide
       -      chambre à muons.

Diapo 28 : La matière noire dans les galaxies implique des mystérieuse courbes de rotation : 10 fois plus
de matière noire dans une galaxie que de matière visible.
Production de trous noirs au LHC : mini-trous noirs quantiques.
                                                                                                       5

Diapo 29 : Dans le cosmos :
Atomes (matière ordinaire) : 4 %
Matière noire : 23 %
Energie noire : 73 %

Diapo 30 : Visite de l’exposition temporaire : Anges et Démons.
Lien entre le film de Ron Howard et la physique de l’anti-matière.

Diapo 31 : Introduction aux accélérateurs par Simone GILARDONI (CERN)
Problèmes techniques dans la conception de l’accélérateur :
         vie courante : dimensions de l’ordre de quelques m et énergie de l’ordre de quelques eV et
               keV.
         dans le LHC : dimensions de l’ordre de 10-16 m et énergie de l’ordre de quelques TeV !!
Dans le LHC, le but est d’atteindre 1 évènement chaque 25 ns.
Voici les différents composants de l’accélérateur : les dipôles, les quadripôles, les sextupoles et les
cavités RF.

Diapo 32 : La conception des dipôles permettent les circulation des protons dans deux sens différents
suivant la cavité.
Dans le LHC, il y a 8 points d’interactions des deux faisceaux.

Diapo 33 : Dans les supraconducteurs : la zone de supraconductivité dépend de T, du courant et du
champ magnétique.
Des contraintes liées à la température : Longueur de l’aimant à T ambiante = 15 m
                      Longueur de l’aimant à T = 1,9 K = 15 m – 10 cm.
Perturbations de l’orbite des faisceaux:
       -      les marées terrestres
       -      le passage du TGV
       -      la pluie (les variations de pression)

Diapo 34 : Physique et Imagerie médicale par Paul LECOQ (CERN)
Découverte des rayons X – Novembre 1895 par Röntgen (Prix Nobel de physique en 1901)
        Première radiographie
Premières applications dans la thérapie du cancer.
Hadrontherapy accelerators : Grand pouvoir d’arrêt  faisceau très localisé (proton ou encore mieux
avec des ions carbone).
La protonthérapie est utilisée à Orsay ou à Nice pour traiter des tumeurs de l’œil, du cerveau ou du cou).
La thérapie par les ions carbone est en projet à Lyon (études pré-cliniques)
L’imagerie pour une meilleure prise en charge du patient :
        détection de plus en plus précoce.
        thérapie ciblée.
        évaluation de l’efficacité du traitement.
Autour de l’imagerie médicale : Physique, Biologie, Maths, Chimie, Médecine)

Diapo 35 : PET-Scan : Scanner à rayons X + système d’imagerie fonctionnelle (émission à positons).
Principe du PET : Tomographie à Emission de Positons
On choisit une molécule à étudier dans le métabolisme du patient.
On lui « attache » un élément radioactif dans du glucose (18F).
Cela provoque l’émission d’un positon.
Vient ensuite la désintégration du positon en 2 photons  de 511 keV.
                                                                                                        6

Défis similaires pour l’imagerie TEP et les détecteurs de physique:
Qualité des images :
        - amélioration de la résolution spatiale
        - Amélioration de la résolution temporelle
        - Augmenter la sensibilité
        - Augmenter le rapport signal/bruit
Projet CERIMED à Marseille : Centre de recherche en Imagerie Médicale.

Diapo 36 : Un après midi de détente en ville…

Diapo 37 : Antimatter Mysteries par Rolf LANTUA (CERN)
De nombreux mystères en physique !
Vulgarisation par l’intermédiaire du film Anges et Démons.
Les particules et antiparticules sont toujours par paires
Une antiparticule est aussi réelle qu’une particule.
Dans les interactions des collisions, la moitié des traces correspondent à de l’antimatière.
A l’origine de l’Univers, l’énergie était très concentrée 1072 J, cette énergie a été convertie en masse
(E = m c²).
On ne voit pas d’antimatière dans l’Univers. Pourquoi? Hypothèse : Théorie de la violation de la
symétrie C/P (Charges et Parité)

Diapo 38 : Lors de la production d’anti-protons à l’usine d’antimatière du CERN : AD : Antiproton
Decelerator, il y a 100 Millions d’anti-protons/ min.

Diapo 39 : Visite du détecteur ATLAS par Sandro PALESTINI et Mick Storr

Diapo 40 : En bleu, les dipôles sur les bancs de test.
En bas à gauche, vue des systèmes de jonction entre deux dipôles.

Diapo 41 : Porte sécurisée pour accéder au détecteur CMS (ouverture par reconnaissance de la rétine de
l’œil).
Vue du détecteur CMS.

Diapo 42 et diapo 43 : Conclusion du stage par Mick Storr qui nous accompagné toute la semaine.

Diapo 44 et diapo 45 : Présentation du projet Cosmos à l’école par Cécile Barbachoux.

                                                                                                       7