Le LHC, projection dans les infinis: chercher à comprendre les origines de l'Univers et de la Matière - Michel SPIRO 22 03 2011
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Le LHC, projection dans les
infinis: chercher à
comprendre les origines de
l’Univers et de la Matière
Michel SPIRO
22 03 2011
PARTICULES ET BIG BANG • Particules élémentaires et grande unification (le modèle standard) • La mystérieuse nature du vide • Le grand récit de l’Univers • Une cosmogonie scientifique
Big Bang
Proton
Atome
Rayon de la Terre
de la Terre au Soleil
Rayon des galaxies
Univers
LHC
Hubble
VLT
4"
L’étude des particules élémentaires et des
champs, et leurs interactions
gauge
x8
En 50 ans, nous avons fait
beaucoup de chemin,
mais il nous reste encore
beaucoup à apprendre…
Les quatre interactions de la nature
sont décrites par l ʼéchange de particules"
"
T10
F=ma"
Masse, énergie"
accélération (variation de vitesse)"
Force" masse : mesure lʼinertie du système"
“Beaucoup” de particules “grande” masse"
MAIS : pourquoi une particule “élémentaire”"
a-t-elle une masse ?"
E = mc2 Equivalence masse-énergie (Einstein, 1905)"
Vitesse
de la lumière
dans le vide"
Conservation de lʼénergie"
mais fluctuations quantiques"
Masse et phénomène de Higgs"
Qu'est-ce que le vide ?"
Présence de particules virtuelles (indétectables directement)"
" " " "fugitives"
Présence de "particules de Higgs« qui confèrent une sorte de
viscosité au vide..."
...responsables de l'inertie des particules"
mais on nʼa encore jamais vu le Higgs..."
Si on avait produit un Higgs, on lʼaurait détecté
(on sait comment faire)"
>> il faut plus dʼénergie pour produire des Higgs"
" "Energie cinétique >> masse"
>> le projet LHC du CERN"
" "Large Hadron Collider"
Laboratoire européen de physique des particules (Genève)"
Découvrir et étudier le Higgs
si sa masse est entre 2 x 105 me et 2 x 106 me (max selon théorie) "
(2011 et 2012 seront déterminants)"
100 GeV
1000 GeV
1015 GeV
1019 GeVEvolution de l’Univers
La France
France
et le CERN
et CERN
/ octobre
/ Mai 2009"
2009" 12"Evolution de l’Univers La France et le CERN / 13 décembre 2010
Un nouveau type de matière : «la matière noire»
Une substance dominante : «l’énergie noire»
Heavy Elements : 0.03%
Neutrinos : 0.3%
Stars 0.5%
Gas H + HE 4%
Dark Matter
Dark EnergyQuelle est la nature de la
matière noire (particules
super symétriques)?
Quelle est la nature de
l’énergie noire (énergie du
vide ou courbure de
l’espace temps vide?)
Où est passée
l’antimatière?
Beaucoup de hasard ou de
lois nouvelles à
découvrir?
17DEUX THEORIES SOUS- JACENTES INCOMPATIBLES DANS L’EXTRAPOLATION VERS LE BIG-BANG: • RELATIVITE GENERALE, deterministe, constante cosmologique=courbure intrinsèque de l’espace-temps • THEORIE QUANTIQUE DES CHAMPS, probabiliste, constante cosmologique =energie du vide quantique
QUESTIONS OUVERTES :
ORIGINES DES LOIS ET DE
LA MATIERE(1)
• Création (au tout début? L’extrapolation vers le
temps zéro (infinie température et densité) va au
delà de la physique que nous connaisons.
Pourra t-on avoir une théorie de tout? Théorème
d’incomplétude en mathématiques?
• Théories effectives (renormalisation, quantique
au classique, information and entropie peuvent
conduire à décrire la gravitation…)
• Transitions de phase (brisures de symétries
successives: le Higgs et le vide quantique,
déconfinement quarks… ). Rôle du hasardQUESTIONS OUVERTES :
ORIGINES DES LOIS ET DE
LA MATIERE(2)
• Principe de sélection anthropique (ajustements
fins, hasard, multivers)
• Superthéorie (supersymétrie, dimensions
cachées…)
• Théories effectives: Immanence versus
transcendance
-------------------------------------------------------------------
La supersymétrie ou les dimensions cachées
expliquent-elles la hiérarchie des masses ou
hasard incroyable: réponse avec le LHC.
La transition de phase du vide quantique LHCQUESTIONS OUVERTES :
ORIGINES DES LOIS ET DE
LA MATIERE(3)
• Complexité: ensemble de particules en
interaction donnant naissance à de
nouvelles théories effectives (quarks, QCD
donnent protons and neutrons, physique
nucléaire). Est-ce une méta loi en
physique?
• Auto-organisation: penser global et agir
local , lois (nécessité, global) et
probabilités (occurrence, local)Collaboration entre
divers corps de
métier: Cryogénistes,
Physiciens,
Masse des Informaticiens,
Mathématiciens, …
particules
(Bosons de
Higgs) Nature de
la matière
noire
Mise en évidence
des Univers primordial
extradimensions
spatiales Emergence d’une
nouvelle
Physique….• ~2300 membres titulaires
• ~790 autres personnels payés
• ~10000 utilisateurs
• Budget (2010) 1100 MCHF
La France et le CERN / 25
décembre 2010 France et CERN / Mai 2009"
2526
26Mont Blanc
LHC: Geographical Location
Jet d’Eau
Airport
LHCb
ATLAS
CMS ALICEUne nouvelle ère pour la science fondamentale
Démarrage du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’un des projets
scientifiques les plus grands et les plus internationaux jamais réalisés.
Un tournant passionnant pour la physique des particules.
ALICE"
Anneau LHC :
27 km de circonférence
ATLAS"
La France
France
et le CERN
et CERN
/ octobre
/ Mai 2009"
2009" 29"Caractéristiques
L.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de Hadrons
14 TeV
Champ magnétique dipolaire pour faire 8,33 T
circuler les protons à 7 TeV (Teslas)
Le Champ magnétique permet d’infléchir le faisceau
de particules (trajets circulaires)
0,56 A
(Ampère)
7,48 mQuelques points de repère Centre Européen de Recherche Nucléaire (CERN)" Laboratoire européen de physique des particules" Genève" Environ 10000 chercheurs du monde entier" Large Hadron Collider (LHC)" Accélérateur / collisionneur proton proton et Pb Pb" Objectifs: 7 TeV contre 7 TeV, 1milliard collisions/s (pour lʼinstant 3,5 TeV et 100 millions collisions par seconde en 2011 et 2012)" 27 km de circonférence" supraconducteur" 3 milliards d ʼeuros (hors tunnel)" démarrage fin mars 2010, 3.5 TeV contre 3.5 TeV 100 collisions/s" ATLAS expérience au LHC" 250 chercheurs et ingénieurs" 30 pays" 300 millions d ʼeuros" Conception/construction : 10 ans" Exploitation : 20 ans"
Dipoles 1232 Aimants dipolaires Longueur environ 15 m Champ magnétique 8.3 T Deux tubes-faisceaux de 56 mm
Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les
aimants sont prérefroidis à l’azote liquide (10 080 tonnes) à une
température -193,2°C (80 K) puis portés à -271.3 °C (1.9 K) à
l’aide d’Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide )Les expériences au LHC
LHC: Premières collisions à 7 TeV le 30 mars 2010 La France et le CERN / 35 décembre 2010
Highest-‐mass
di-‐jet
event
observed
so
far:
Mjj
=
2.55
TeV
Paris
ICHEP2010
pT
(j1)=420
GeV
Event
display
shows
Fabiola
Gianotti,
EPS,
Cracow,
pT2
(0-‐07-‐2009
j2)=320
GeV
uncalibrated
energies
38
24 Septembre 2010
Run 145611 evt 504867308
HIGGS??Z Z 4 muonsLa France et le CERN / 41 décembre 2010
La France et le CERN / 42 décembre 2010
observation du Higgs TRES RARE:"
1 collision sur mille milliards (1012")
1. "Taux de collision élevé: 700 millions/s"
"pour observer quelques Higgs par jour"
">> Irradiation, rapidité des mesures"
2. "Bien séparer les bons événements des mauvais"
">> Précision de mesure"
1+2 "Trier vite et bien"
" "en 2 µs, éliminer 99,9% des événements
" "en quelques ms, éliminer 99,99999%
" ">> enregistrer 1 événement et en rejeter 10 7"
3. DECOUVERTE OU EXCLUSION
le bon" en 2011-2012"
les mauvais"
RV: fin 2012 POUR UN GRAND EVT: PLANCK et LHC"Computing au LHC
Europe: !
• Problème: le CERN ne peut forurnir qu’une 267 instituts!
4603 utilisateurs
fraction de la puissance calcul nécessaire
Ailleurs: !
208 instituts!
1632 utilisateurs!
• Solution: Les centres de calcul, qui étaient
isolés dans le passé, seront mis en réseau,
unifiant mondialement les ressources de
calcul pour le physique des particules.Qu’est-ce que la Grille de calcul? • Le World Wide Web fournit l’accès à l’information qui est répartie dans des millions de sites géographiques • La Grille de calcul est une infrastructure répartie et partagée mondialement qui fournit l’accès aux données et à leur analyse. •Avec, en plus, les logiciels libres, les publications en accès libres et l’archivage des données en accès libre le CERN est l’endroit où se forgent les outils d’une mondialisation basée sur la coopération.
The World LHC Computing Grid
CERN Technologies - Innovation
Imagerie médicale
Exemple: applications médicales
Accélération
de particules
Détection
Tumeur cible
Faisceau de hadrons
chargés qui perd de Traitement de données
l’énergie dans la matière à grande échelle (Grille de calcul)
Grille pour la gestion et l’analyse des données médicalesVision
pour
la
prochaine
machine
e+e-‐
500
GeV
Mature
(2030
?)
e+e-‐
3
TeV
Feasibility
Study
High
Energy
LHC
≥
30
TeV
New
Idea
100 km/h !!
Planck lancement Avril 2009 Mesurera les paramètres cosmologiques à 1%
VERS UNE COSMOGONIE SCIENTIFIQUE Quête de l’humanité Basée sur un rationalisme collectif: rassemble par delà les différences (religieuses ou citoyenneté..). Le LHC, la plus grande aventure scientifique mondialisée. Des interférences subtiles entre local et global, entre hasard (fluctuations, brisures de symétries …) et nécessité (lois, théories effectives): émergence d’un emboîtement de structures et de lois Encore du chemin, mais un rendez-vous fin 2012…
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