A la dcouverte des mystres de lUnivers

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A la découverte des mystères de lUnivers Le CERN
et le monde des particules
Fabiola Gianotti, CERN, Départment de Physique
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CERN European Organization for Nuclear
Research Le plus grand centre mondial de physique
des particules

• Plus de 50 ans de
• Recherches fondamentales et découvertes (et prix
  Nobel de Physique...)
• innovation technologique et transfert de
  technologie vers la société
• (par exemple le net le World Wide Web)
• formation et éducation (jeunes scientifiques,
  maîtres, élèves)
• rassembler le monde

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A brin dhistoire

• Restaurer la science européenne après la guerre,
  11 pays Européens saccordent à
• mettre en place un Conseil Européen pour la
  Recherche Nucléaire (CERN) provisoire.
• La région de Genève est sélectionnée
  comme site pour le laboratoire planifié
• La European Organization for Nuclear Research
  est fondée par 12 pays
• (le Conseil provisoire est dissout, mais
  lacronyme CERN est conservé).
• le CERN devient un des premiers exemples de
  coopérations (scientifiques) daprès-guerre

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Le CERN aujourdhui

• Vingt Etats Membres Austria Belgium Bulgaria
  Czech RepublicDenmark Finland France
  GermanyGreece Hungary Italy
  NetherlandsNorway Poland Portugal
  Slovak RepublicSpain Sweden
  Switzerland United Kingdom
• Plus huit Etats Observateurs European
  Commission, India, Israel, Japan, Russian
  Federation, Turkey, UNESCO and USA
• Budget 1000 MCHF (650 M Euros) chaque
  état membre contribue
• en proportion de son
  revenu. Par exemple la Suisse contribute pour
  3,
• mais comme pays hôte,
  bénéficie dun retour dun facteur 2.

Le Conseil est la plus haute autorité et il a la
responsabilité ultime pour toutes les décisions
importantes. Il contrôle lactivité
scientifique, technique et administrative du
CERN. Le budget du CERN subvient au
fonctionnement et à la maintenance des
accélérateurs et facilités utilisées par la
communauté des chercheurs et aux salaires de
2500 membres du personnel du CERN.
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• 2600 membres du personnel, 770 Fellows and
  Associés, 7500 utilsateurs (Oct 2006)

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La mission première du CERN est la science
Comprendre les lois fondamentales de la nature en
étudiant les particules élémentaires (les
building blocks de la matière comme les
électrons et les quarks) et leurs interactions

• La physique des particules nous permet aussi de
  comprendre lévolution et la structure de
  lUnivers (voir plus tard)
• de linfiniment petit à linfiniment grand
  les deux infinis

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Pour étudier les particules élémentaires et leurs
interactions
Nous accélérons deux faisceaux de particules (par
exemple protons) proches de la vitesse de la
lumière et les faisons entrer en collision

• Les protons en collision se décomposent en leur
• constituants fondamentaux (par exemple quarks)
• Ces constituants interagissent à haute énergie
• nous pouvons étudier le comportement de la
• matière fondamentale
• (des nouvelles) particules lourdes peuvent être
• produites par collision (Emc2). Plus lénergie
  de
• laccélerateur est élevée, plus lourdes peuvent
• être les particules produites. Ces particules se
• désintègrent alors en particules plus légères
  (connues) électrons, photons, etc.

En plaçant des détecteurs high-tech puissants
autour du point de collision, nous pouvons
détecter les produits de collision et
reconstruire ce qui sest passé lors de la
collision (quel phénomène, quelles particules et
forces en jeu, etc)
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Pour ça, nous avons besoin de
Accélérateurs tunnels souterrains
(habituellement anneaux) avec des champs
électriques pour accélérer les particules aux
très hautes énergies (un peu à chaque tour), et
des aimants pour diriger les faisceaux dans
lanneau et les amener à la collision Gigantesques
microscopes pour explorer les plus petits
constituants de la matière !!
Détecteurs instruments massifs qui enregistrent
les produits de collision et qui permettent
didentifier les particules produites et de
mesurer leur energie et trajectoire. Calculateurs
pour stocker, distribuer, analyser la grande
quantité de données produites par les détecteurs
et reconstruire l événement qui a eu lieu dans
la collision.
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Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN
l accélérateur le plus puissant . et
aussi . les plus puissants détecteurs la plus
puissante infrastructure de calcul la plus large
collaboration internationale les concepts et
technologies les plus innovatifs (cryogénie,
materiaux résistants aux radiations,
électronique, transfert et stockage de données,
etc. etc)
jamais réalisé en physique des particules Un des
projets les plus ambitieux dans la science en
général !
Lopération commencera en été 2008
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Le Large Hadron Collider (LHC)
Un anneau daccélération de 27 km, 100 m sous
terre, sous la frontière Suisse-France (utilisé
jusquen lan 2000 par le collisioneur ee-
LEP) Deux faisceaux de protons seront accélérés
en sens opposés jusquà la vitesse de la
lumière. Ils se collisioneront en quatre points,
où quatre grandes expériences sont en voie
dinstallation.
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Quatre grandes expériences détecteront les
produits de collision ATLAS, CMS, LHCb, ALICE
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Energie sans équivalent 7 TeV par particule ?
énergie de collision 14 TeV

(1
TeV 10-7 Joule) Note un ballon de foot avec la
même énergie se déplacerait à 90000 Km/h
7 TeV correspondent à 10 batteries de 1-Volt
pour chaque étoile de notre galaxie et
à 1014 fois la température de cette pièce
Les composants qui représentent le plus grand
défi sont les 1232 aimants superconducteurs
high-tech du LHC, qui fournissent un champ
magnétique de 8.3 T (nécessaire pour guider le
faisceau de 7 TeV dans lanneau 27 km). Ils
travaillent à 1.9K (-270 degrés) Construits par
3 industries européenes Alstom/France,
Ansaldo/Italie, Babcok-Noell/Allemagne
Energie stockée dans le faisceau 350
MJoules (comme un TGV à pleine vitesse cette
énergie suffit pour fondre 500 kg de
cuivre) Puissance électrique pour opérer le
LHC 130 MW (de lEDF)
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Détecteurs pour la physique des particules
Couvre (presque) le plein angle solide autour du
point de la collision pour détecter autant de
particules produites que possible.
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Les détecteurs sont des caméras digitales géantes
qui photographient les collisions pp à un rythme
de 40 millions par secondes. Typiquement 100
images/s sont enregistrées
Des techniques software sophistiquées sont
utilisées pour reconstruire les trajec- toires
des particules à partir des signaux laissés dans
les éléments de détecteurs et ainsi obtenir une
image de tout lévénement. Lorigine de
lévénement (quelle nouvelle particule ou
phénomène la produit) peut alors être étudiée
Les résultats dune simulation de collision pp
dans le détecteur ATLAS (vue transverse)
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Un exemple le détecteur ATLAS
Les détecteurs LHC sont bien plus
complexes, performants, et représentent un
défi par rapport aux accélérateurs précédents/prés
ents ? un grand saut en concepts et technologies

• Taille (longueur 45m, diamètre 25m) pour
  mesurer, absorber les particules de haute énergie
• 108 canaux électroniques (signaux
  individuels) pour enregistrer 1000 particules
  par événement
• Réponse rapide (50 ns) 40 millions de
  collisions faisceau-faisceau par seconde(1
  ns10-9s)
• Radiation hard jusquà 106 Gy dans les points
  les plus chauds après 10 ans dopération
• Collaboration 2000 physiciens, 167
  Institutions/Univ., 35 pays de 5 continents

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Bat 40
Le détecteur ATLAS superposé à un bâtiment de 5
étages
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La caverne souterraine ATLAS en oct. 2005
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Opérations spectaculaires
Juin 2007
250 tonnes 1 Jumbo jet
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(No Transcript)
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30 novembre 2006 descente dune tranche (400
tonnes) du détecteur CMS dans la caverne
souterraine au moyen du palan daccès
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La tranche centrale, la plus lourde, (2000
tonnes !) inclus laimant solénoïde, descendu
dans la caverne en fév. 2007
solénoïde CMS Longueur magnétique 12.5
m Diamètre 6 m Champ magnétique
4 T Courant nominal 20 kA Energie
stockée 2.7 GJ Testé à plein courant en
été 2006
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Calcul
L expérience LHC produira 10-15 PB de données
par année 1 PB106 GB Ceci correspond
à 20 millions de CD (une pile de 20 km de haut
) Lanalyse des données requiert une puissance
de calcul équivalente à 100 000 des plus
rapides processeurs daujourdhui. Les
collaborations internationales de
lexpérience sont disséminées sur toute la terre
? les ressources de calcul doivent être
distribuées.
La coopération de nombreux centres de calcul sur
toute la Terre est nécessaire
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La Grille fournit un accès continu à la puissance
de calcul et à la capacité de stockage de
données distribuée sur tout le globe
Le LHC Computing Grid (LCG) repose sur une
infrastructure en grille fournie par EGEE
Enabling Grids for Europ.-sciencE
120 centres de calcul 40 pays
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La GRILLE de calcul LHC a été le moteur pour
EGEE (la plupart des ressources de hardware EGEE
viennent en fait du LCG)

• EGEE est maintenant un effort global, et la plus
  grande infra- structure de Grille mondiale
• gt 180 sites, 40 pays, gt24000
  processeurs, 5 PB de mémoire
• Co-fondé par la Commission Européenne (130 M
  sur 4 ans)
• EGEE déjà utilisé par gt 20 applications, par ex.
  Astrophysique, Chimie, Sciences de la Terre
  (climat, ), Finance, Fusion, Géophysique,
  Sciences de la Vie (imagerie médicale, découverte
  de médicaments), Physique des particules, etc.

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Quelques nombres en plus ..
Nombre de tours que font les protons de lanneau
du LHC en une seconde 11 000 Nombre
dinteractions proton-proton par seconde 1
milliard Nombre de particules produites par
collision plus de 1000 Température de la
machine 1.9 K (le plus grand système
cryogénique sur Terre) Poids de lexpérience CMS
13 000 tonnes (30 de plus que la Tour
Eiffel) Quantité de cables utilisée pour
transférer les signaux dans ATLAS 3000 km
Données enregistrées par expérience en 1 an 20
km de CD Nombre de physiciens impliqués gt 4000
(dans 5 continents !) Coût total (accélérateur
plus expérience) 5000 MCHF
Le projet le plus ambitieux en physique des
particules et un des plus ambitieux en sciences
en général
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(No Transcript)
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Les particules élémentaires et leurs interactions
sont décrites par une théorie (le Modèle
Standard) qui a été vérifiée avec une extrême
haute précision au cours des dernières 35 années
dexpériences au CERN (par exemple au LEP) et
dans dautres laboratoires sur toute la Terre
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Cependant, plusieurs questions restent ouvertes
et des mystères subsitent.
Le LHC aidera à résoudre ces mystères et dautres

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Quelle est lorigine de la masse des particules ?

• La masse du top quark (la plus lourde particule
  élémentaire observée)
• masse dun atome dor
• La masse de lélectron est 300 000 fois
• plus petite que celle du top-quark Pourquoi ???

Le mystère de la masse peut-être résolu par le
mécanisme de Higgs , qui prédit lexistence
dune nouvelle particule élémentaire la
particule de Higgs Cette particule a été
recherchée pendant 20 ans sur les accélérateurs
de toute la Terre et na pas été observée
jusquà maintenant. Le LHC a suffisament
dénergie/intensité pour la produire.
Note un monde sans Higgs serait un monde
très étrange ! Les atomes (et ainsi nous tous)
nauraient pas la taille quils ont, les neutrons
pourraient être plus légers que les protons, la
chimie nexisterait peut-être pas, etc...
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Quelle est la nature de la matière Noire de
lUnivers ?

• Des mesures astrophysiques
• récentes indiquent que lUnivers
• est fait de
• 5 de matière connue
• 25 de matière noire
• (aucune particules connues
• ne peut lexpliquer)
• 70 d énergie noire

Aujourdhui nous ne comprenons que 5 de la
composition de lUnivers
La Supersymétrie (une théorie de physique des
particules) prédit de nouvelles particules
élémentaires (lourdes), pas encore observées.
Parmi celles-ci le neutralino, actuellement
notre meilleur candidat pour la matière noire de
lUnivers (ses caractéristiques prédites sont en
bonne correspondance avec les observations
astrophysiques et prédictions cosmologiques). Il
est attendu quil soit suffisamment léger pour
être produit en abondance aux LHC !

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Retour en arrière vers les premiers instants de
lUnivers ..
LUnivers se refroidit et la densité dénergie
décroit dans le temps

• Lénergie du LHC correspond à lénergie
• de lUnivers 10-10 s après le Big Bang
• ? Nous nous attendons à observer /
• reproduire dans le labo des
• phénomènes similaires à cette époque
• ? SURPRISES ???

Les deux infinis linfiniment petit (particules
élémentaires) permet de comprendre linfiniment
grand (lUnivers)
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Transfert de technologie et retombées de la
science fondamentale à la vie quotidienne
Des performances limites sont requises en
physique des particules ? technologies de
pointe (accélérateurs, détecteurs, électronique,
) développées au CERN et dans les Instituts
collaborants. Utilisés dans un nombre énorme
dapplications imagerie médicale et industrielle
(e.g. PET), thérapie du cancer, science des
matériaux, lithographie de rayons-X,
implantation dions pour hanches artificielles,
scanners daéroports, etc. Sans mentionner le WEB
et la GRILLE
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CERN et le LHC

• Recherche de réponses aux questions fondamentales
  sur les particules élémentaires et lUnivers. Une
  nouvelle ère (de découvertes ?) va commencer avec
  lexploration dénergies dans la gamme du TeV au
  LHC
• Avancée des frontières de la technologie
• (aussi au bénéfice de la société)
• Formation (étudiants, enseignants de physique de
  hautes-écoles,
• jeunes scientifiques)
• Unir les nations à travers la science

Nati non fummo a viver come bruti ma per seguir
virtute et conoscenza, Dante Alighieri
(1265-1321), Divina Commedia, Inferno, Canto XXVI
What we know is a droplet, what we dont know
is an Ocean, Isaac Newton (1643-1727)
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SPARES
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Détecteurs pour la physique des particules basée
sur les accélérateurs
Couvre (presque) tout langle solide autour du
point de collision pour détecter le plus de
particules possible produites par la collision.
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Les particules élémentaires et leurs interactions
sont décrites par une théorie (le Modèle
Standard) qui a été vérifiée avec une extrême
haute précision sur les dernières 35 années par
les expériences au CERN (par exemple au LEP) et
dans les autres laboratoires dans le monde.