CroqueHubert 1 La physique auprs des acclrateurs koss

Croque-Hubert #1 La physique (auprès) des accélérateurs, kossé ça donne? par Sylvie Brunet étudiante au doctorat, Ude. M (physique des particules, Ba. Bar) 16 novembre 2006 1

Croque-Hubert : PKOI? ? Ce qui m’a donné le coup de pied au … nécessaire: vous, étudiants de e 2 année! … qui avez demandé à M. Zacek si c’était vrai … « …que la physique des accélérateurs n’avait rien apporté de nouveau à la physique des particules, qu’elle n’avait que confirmé ce qu’on savait déjà » 2

Croque-Hubert : PKOI? ? Bonne occasion de: - ressusciter les « croque-quarks » du bon vieux temps de mon BAC - utiliser la popularité d’Hubert Reeves pour vous intéresser davantage au sujet - vous parler un peu de ce qu’on fait au doctorat - vous jaser de la physique des particules de façon relaxe, informelle et vulgarisée (ne vous gênez pas pour m’interrompre si vous avez des questions!) - manger des beignes (sur le bras du département!) 3

Intro : mon parcours CEGEP au Vieux-Montréal - DEC en Arts Plastiques - DEC en sciences de la Nature ? ? BAC en physique à l’Université de Montéal (98 -01) Début de la maîtrise dans l’expérience Ba. Bar en 2001 avec Paul Taras, Passage direct au doctorat en 2002 - En tout, ai passé 3. 5 ans en Californie, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), ou est située l’expérience Ba. Bar (Fin du doctorat prévue pour la fin de l’année, début 2007 - yé!) Pour communiquer avec moi: V-236, sylvvv@gmail. com 4

Le SLAC: Stanford Linear Accelerator center San Francisco SLAC (Université de Stanford) Palo Alto Las Vegas Los Angeles San Diego 5

Mini album photo : Le SLAC 6

Mini album photo : Le SLAC, Californie… Nature exceptionnelle, soleil éternel… Mais aussi un bouillonnement incroyable pour la science: labo international, plein d’experts, de gens ultra compétents et motivés… 7

Retour sur les dires de Hubert Reeves « la physique des accélérateurs n’a rien apporté de nouveau à la physique des particules, elle n’a que confirmé ce qu’on savait déjà » Indignation!!!. . . Mais PKOI? ? ? 8

Retour sur les dires de Hubert Reeves Au niveau « philosophique/éthique » Jamais bon (à mon humble avis) de tirer dans le pied d’une autre discipline… 9

Retour sur les dires de Hubert Reeves C’est vrai que plusieurs des prédictions ont été vérifiées en physique des particules mais… C’est en général considéré comme un énorme succès! ET SURTOUT: On ne peut se baser sur des hypothèses sans les vérifier expérimentalement… C’est une base fondamentale de l’approche scientifique!!! 10

Retour sur les dires de Hubert Reeves La théorie et l’expérimental se nourrissent continuellement! 11

Retour sur les dires de Hubert Reeves Au niveau scientifique… La physique auprès des accélérateurs nous a apporté beaucoup (et continue de le faire… même sur les neutrinos !) • Je le crois • d’autres étudiants le croient • d’autres profs le croient… Mais bon… qui sommes-nous à vos yeux pour contredire M. Reeves? ; -) Laissons donc les faits parler… 12

Ze Plan Mon « but » : Vous prouver que la physique auprès des accélérateurs a donné/donnera quelque chose… • Quelques considérations historiques • « Bref » Survol du Modèle Standard • La physique des accélérateurs, kossé ça (a) (va) donne (é) (er) ? … • Le présent: Les neutrinos • Le passé: Belles réussites du Modèle Standard • Le présent: Les cosmétiques • Le présent: La différence matière-anti-matière • Le présent, le futur: Recyclage des accélérateurs • Le futur: Ce qui manque encore au modèle Standard • Sondage auprès des profs • Conclusion • Réaction de M. Reeves aux Croque-Hubert (cette présentation sera disponible sur le site web des Croque-Hubert très bientôt) 13

Le Modèle Standard (’ 70) Le Modèle Standard: Décrit les particules fondamentales et leurs interactions Tente de répondre aux questions fondamentales: « De quoi le monde est-il fait? » « Qu’est-ce qui tient tout ensemble? » Information vulgarisée intéressante sur la physique des particules: http: //www. particleadventure. org/ 14

Historique incomplet de la physique des particules Une histoire somme toute assez récente… PRIX NOBEL RELIÉS À LA PHYSIQUE DES PARTICULES Accélérateurs de particules Modèle Standard 2006 - John C. Mather, George F. Smoot 2005 - Roy J. Glauber, John L. Hall, Theodor W. Hänsch 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J. G. Veltman 1995 - Martin L. Perl, Frederick Reines 1992 - Georges Charpak 1990 - Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, Richard E. Taylor 1988 - Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger 1984 - Carlo Rubbia, Simon van der Meer 1980 - James Cronin, Val Fitch 1979 - Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1976 - Burton Richter, Samuel C. C. Ting 1969 - Murray Gell-Mann 1968 - Luis Alvarez 1965 - Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman 1961 - Robert Hofstadter, Rudolf Mössbauer 1960 - Donald A. Glaser 1959 - Emilio Segrè, Owen Chamberlain 1958 - Pavel A. Cherenkov, Il´ja M. Frank, Igor Y. Tamm 1957 - Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee 1950 - Cecil Powell 1949 - Hideki Yukawa 1948 - Patrick M. S. Blackett 1939 - Ernest Lawrence 1936 - Victor F. Hess, Carl D. Anderson 1935 - James Chadwick 1927 - Arthur H. Compton, C. T. R. Wilson 1923 - Robert A. Millikan 1921 - Albert Einstein 1906 - J. J. Thomson 1903 - Henri Becquerel, Pierre Curie, Marie Curie 1901 - Wilhelm Conrad Röntgen 15

Bref Survol du Modèle Standard Particules: Forces: 0. 0073 10 -38 10 -9 Ont aussi leur partenaire Anti-particule! protons et neutrons: composés de quarks u et d 1 É-M: entre particules chargées Forte: entre les quarks Faible: lors de la désintégration de particules massives 16

Bref Survol du Modèle Standard J’ai trouvé sur le web… le ZOO du M. S. ! Masses Relatives des Particules: 17

Bref Survol du Modèle Standard Donc… le Modèle Standard (dont le véritable langage est la théorie des champs quantiques) est une théorie (assez simple) basées sur les symétries de la nature qui explique énormément de phénomènes observés en physique des particules avec… une précision incroyable MAIS… 18

Bref Survol du Modèle Standard MAIS! Il ne s’est pas bâti uniquement à coups de réflexions Le MS est issu des échanges Théorie-Expériences Découverte des électrons, noyaux, protons, neutrons etc… Expérimentation & compréhension de l’électromagnétisme Observation de la radioactivité Observation des pions (couronnement de la théorie de Yukawa) Découvertes des premiers quarks dans les années 60 etc, etc… Les théories ne sont pas définitives et se modifient au fil des résultats expérimentaux 19

Bref Survol du Modèle Standard MAIS! Il n’explique pas tout Plusieurs mystères demeurent… Pourquoi 3 générations de particules? Pourquoi vivons-nous dans un monde de matière et non d’anti-matière? De quoi est constituée la matière sombre? Pourquoi les particules ont-elles la masses qu’elles ont? Est-ce que les quarks et les leptons sont vraiment des particules fondamentales? De quel type est la masse des neutrinos? Pourquoi la gravité est elle si faible par rapport aux autres forces? Doit-on rêver de la grande unification? etc … 20

Bref Survol du Modèle Standard MAIS! Il contient plusieurs paramètres dont il ne prédit pas la valeur Certains paramètres ne sont pas prédits par le MS… Par exemple: - La masse des particules dont la masse du (recherché) boson de Higgs - La fréquence de changement de famille des quarks (mon champ d’étude) - La valeur des constantes de couplage 21

Bref Survol du Modèle Standard Le Modèle Standard: Ultra performant jusqu’à maintenant! Mais, imparfait, incomplet: Nécessité de mesurer ses paramètres libres avec précision, de trouver ses composantes manquantes (Higgs) mais aussi d’aller audelà du Modèle Standard car plusieurs choses restent inexpliquées… 22

? ? ? ? ? La physique auprès des ? accélérateurs, kossé ça ? (a) (va) donne (é) (er) ? … ? ? 23

? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? 1) Les Neutrinos ? ? ? 2) (présent) 24

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour les neutrinos? ? ? La connaissance expérimentale que nous avons sur les neutrinos proviennent de plusieurs grandes familles d’expérience. 25

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour les neutrinos? ? ? VS C’est pas l’axe du bien et l’axe du mal: toutes ces sources sont complémentaires, plus on a d’informations plus on est heureux (il y a tant à mesurer et à comprendre!)… Quand même, les neutrinos créés par les humains ont un avantage certain: LE CONTRÔLE!!! On peut contrôler/varier: • La saveur des neutrinos à être étudiés • L’intensité des faisceaux • L’énergie des neutrinos • La distance de détection par rapport à la source 26

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour les neutrinos? ? ? Un exemple concret et d’actualité: L’expérience Mini. Boo. NE (http: //www-boone. fnal. gov/) • En 1995: L’expérience LSND (Los Alamos) voit un signal fort qui pourrait s’apparenter à de la nouvelle physique (4 e génération de neutrinos? !!? ? )… Mini. Boo. NE a donc été créé pour fouiller plus loin et confirmer/infirmer ces résultats avec une grande précision… Des neutrinos muoniques sont produits grâce à un accélérateur, on cherche à mesurer leur oscillation en neutrinos électroniques. Résultats attendus depuis des mois! « neutrino oscillation results soon » -B. T. Fleming, Neutrino 06 conf. » À suivre… 27

? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? 2) Confirmation du MS ? ? ? (passé) 28

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle Standard? ? ? La théorie de Glashow-Weinberg-Salam (prix Nobel) avait prédit (1967) la présence des bosons massifs W± et Z 0 Ce sont les médiateurs de la force faible entre les quarks et les leptons 29

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle Standard? ? ? Ils furent observés au CERN (Genève), expériences UA 1 et UA 2 en 1982 -1983 (Prix Nobel) Collisions proton-anti-proton ayant une énergie au centre de masse de 540 Ge. V, accélérateur modifié exprès. Particules instables: Observées via leurs désintégrations 30

La physique des accélérateurs : kossé ça donne pour la confirmation du Modèle Standard? ? ? Phys. Lett. B 126: 398 -410, 1983 Petit problème: Pour chaque événement contenant un Z/W, il y en a 107 autres… Comment faire pour extraire le signal? Le fait que les W, Z sont très massifs donnent des leptons très énergétiques… énergétiques C’est leur signature! Comment faire pour « voir » le neutrino? On regarde ce qui manque! manque Ils furent observés au CERN (Genève), expériences UA 1 et UA 2 en 1982 -1983 (Prix Nobel) Z : 12 événements!! W: 43 événements Leur masse fut mesurée avec précision au LEP (collisionneur e+ e-, CERN , Genève) quelques années plus tard. 31

? ? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? 3) Les cosmétiques ? ? 32

Les cosmétiques Lu hier dans un wagon de métro « Le grand secret d’une peau lisse réside dans l’infiniment petit » ? 33

? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? ? ? ? ? 3) La différence matière-anti-matière (présent) 34

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la compréhension de la différence matière-anti-matière? ? ? Première raison d’être de « mon » expérience Ba. Bar 35

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la compréhension de la différence matière-anti-matière? ? ? Peu après le Big Bang, la matière et l’anti-matière se seraient anhilées: matière + anti-matière = lumière Comment notre existence (faite de matière) a-t-elle possible? Y avait-il juste un petit peu plus de matière? (il semble plus « naturel » d’en avoir égal au départ) Ou… est-ce que la matière et l’anti-matière agissent différemment? En 1967, Andrei Sakharov propose 3 conditions qui pourraient expliquer cet excès de matière. Une de ces 3 conditions est la violation CP qu’il faut mesurer expérimentalement. Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5: 32 -35, 1967, JETP Lett. 5: 24 -27, 1967 36

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour la compréhension de la différence matière-anti-matière? ? ? Première raison d’être de « mon » expérience Ba. Bar: Voir si la matière et l’anti-matière agissent de la même façon dans les mésons B Collisions e+ e- Mésons B et B-bar BB Ba. Bar … • On produit donc avec un accélérateur & collisionneur e+e- des millions de mésons B • On observe la façon dont ils se désintègrent • On peut quantifier la violation CP dans ce système (voir le futur Croque-Hubert de David JEUDI PROCHAIN sur le sujet!) 37

Un mot sur mes recherches à Étude de B 0 l pour mesurer |Vub| implique la rare transition d’un quark « b » en quark « u » . (Séminaire approfondi sur mon sujet de recherche, mercredi prochain 22 novembre 15 h 30, V-221) 38

? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? ? ? ? 4) « Recyclage » des accélérateurs (présent-futur) 39

La physique auprès des accélérateurs : recyclage? ? ? Les accélérateurs, aujourd’hui ne servent pas uniquement à la physique nucléaire ou des particules!!! • Utilisés pour la physique des matériaux 40

La physique auprès des accélérateurs : recyclage? ? ? Les accélérateurs, aujourd’hui, ne servent pas uniquement à la physique nucléaire ou des particules!!! • Utilisés pour le traitement du cancer: radiothérapie Utilisation de la radiation pour détruire les cellules cancéreuses 41

La physique auprès des accélérateurs : recyclage? ? ? 2009 http: //www-ssrl. slac. stanford. edu/lcls/science. html Utilisé pour faire un laser ultra puissant Laser à rayon X - Ultra haute intensité (107 x + que ceux existants) - Courte longueur d’onde (échelle des atomes) - Pulses très courts (103 x + ) (stroboscope style) 42

La physique auprès des accélérateurs : recyclage? ? ? Pourra « photographier » des réactions entre atomes en temps réel Photographies: Eadweard Muybridge, ~1870, Californie 43

La physique auprès des accélérateurs : recyclage? ? ? Autres « Dommages » Collatéraux… Encourage les développements technologiques Par exemple, à Ba. Bar, nous avions la plus grosse banque de données au monde à un moment donné… Obligés d’améliorer les techniques existantes pour manipuler les données etc… 44

? ? ? La physique auprès des? kossé ça ? (a)accélérateurs, (va) donne (é) (er) ? … ? ? ? ? 5) Ce qui manque au Modèle Standard (très proche futur) 45

La physique des accélérateurs : kossé ça donne pour ce qui manque au MS? ? ? Stay Tuned! 2007 -2008 HIGGS 46

La physique auprès des accélérateurs : kossé ça donne pour ce qui manque au MS? ? ? Le boson de Higgs mais pas seulement lui… Énergies encore inexplorées… Ces dernières années: multiplication des papiers théoriques… Pas de conscensus sur ce qu’on va trouver… Situation vraiment excitante! LHC (voir le futur Croque-Hubert de Marie-Hélène Genest JEUDI DANS 2 SEMAINES! sur le sujet!) 47

Énergie des accélérateurs Vs Histoire de l’univers Plus on monte en énergie, plus on s’approche des conditions du Big Bang • Cosmologie Standard ~0. 01 secondes après le Big Bang • Cosmologie & physique des particules ~0. 000001 secondes après le Big Bang 48 http: //www. damtp. cam. ac. uk/user/gr/public/bb_history. html

La physique auprès des accélérateurs : Sondage auprès de quelques profs de l’Ude. M Q: Quels sont, selon vous, les 3 plus grandes réalisations de la physique des accélérateurs? Confirmation de l’existence des quarks Découverte des quarks (c, b, t) et Z W s e d uverte Confirmation que le nombre I n ternet de familles de lep Déco tons = 3 Applic ation ron t o r h c thérap n y tioénc osu eutique la radia. D (canc vieerte du ert, i leistcation d s m i noyau a h c / e i U g ) o l o tomique (ativoenc C P Pour bi s o u a rces alph viol D a l e é d c e t a) o r e u v o c e 4 é r 1 D t e des c Co u u a d r a s D é n s c n o m u v t e rt o s e d i e neue t e eutrinos plas trse n Data ndetron)te d étri s u d m u o n iq u e e e a t ta l t r u iqsuib m es Vérific( e y s v s s ation à u e o n p o e u o l t had er ark-g v Mo. Ddécèl ns ute précisio u qu n du Déco it oe Standa a rd l 49 o vi

Les questions prioritaires de la physique des particules pour la prochaine décennie, au-delà du MS, selon le «rapport P 5 (USA) » , octobre 2006 : 1) Are there undiscovered principles of nature: new symmetries, new physical laws? 2) How can we solve the mystery of dark energy? 3) Are there extra dimensions of space? 4) Do all the forces become one? 5) Why are there so many kinds of particles? 6) What is dark matter? How can we make it in the laboratory? 7) What are neutrinos telling us? 8) How did the universe come to be? 9) What happened to the antimatter? http: //www. science. doe. gov/hep/P 5 Roadmapfinal. October 2006. pdf 50

Conclusions La physique des accélérateurs a apporté de multiples choses à la science, et tout n’était pas « prédit » . La théorie et l’expérimental s’entraident mutuellement et ont besoin l’un de l’autre. On ne peut voir, sur le coup, les retombées technologiques directes des sciences fondamentales mais ça ne veut surtout pas dire qu’elles soient inutiles. La recherche avec les accélérateurs est super variée et vivante, tout n’est pas compris, il reste beaucoup à faire, vous êtes les bienvenues si cela vous intéresse! Juste en physique des particules élémentaires, il y a des centaines d’expériences à travers le monde qui roulent! Restez à l’affût des résultats du LHC dans les prochaines années, sûrement plein de surprises! 51

Réaction de Hubert Reeves aux Croque-Hubert Un certain vendredi j’ai reçu un courriel de Christine Hervieux… J’ai donc envoyé un courriel à M. Reeves lui explicant les origines, motivations et buts des Croque-Hubert… Voici donc sa réponse intégrale contenant ses explications et précisions… 52

Réaction de Hubert Reeves aux Croque-Hubert Chère amie Merci de votre mot. . A la conférence j'ai voulu dire que les expériences en laboratoire avaient admirablement confirmées le modèle standard S. M des particules mais jusqu'ici elles n'avaient pas permis d'aller plus loin. . . Or ce modèle reste très insatisfaisant : trop de paramètres libres et de nombreuses anomalies. Et qu'en fait les pistes nouvelles sont venus de l'astrophysique, en particulier des neutrinos solaires et ceux du rayonnement cosmique , imposant une masse aux neutrinos. Le LHC nous apportera sans doute des informations majeures en particulier sur l'existence et la nature du boson de Higgs tandis que les expériences de neutrinos, émis par des accélérateurs et détectés des centaines de km plus loin, nous ferons progresser dans l'étude de l'intéraction faible , en particulier sur la matrice MNS. Loin d'être inutiles expériences de labo sont d'une importance capitale. J'en suis convaincu. Je me suis mal exprimé si les étudiants ont perçu une opinion contraire. Et je vous souhaite le meilleur succès autant dans vos travaux professionnels que dans vos séminaires "Croque-Hubert"!! -Hubert Amicalement Hubert Reeves 53

Quelques Liens utiles… et mot de la fin The Particule Adventure http: //www. particleadventure. org/ The Particle Data Group http: //pdg. lbl. gov/ Page principale de l'expérience Ba. Bar http: //www. slac. stanford. edu/BFROOT/ Expérience Ba. Bar à l'université de Montréal http: //www. lps. umontreal. ca/GPP/BABAR/page 1. html LHC Homepage http: //lhc. web. cern. ch/lhc/ Mini. Boo. NE http: //www-boone. fnal. gov LCLS home page http: //www-ssrl. slac. stanford. edu/lcls/ • Merci de votre écoute et stay tune pour les prochains Croque-Hubert ! • Bonne chance dans votre BAC et ne vous gênez pas pour aller parler de recherche aux profs et étudiants gradués! • Le web fourmille d’information également, allez fouiller! Merci aussi à Hubert Reeves pour sa contribution inconsciente au projet! Prix Nobel http: //nobelprize. org/nobel_prizes/ Particle Physics Timeline http: //www. particleadventure. org/other/history/index. html FIN Page principale des Croque-Hubert 54 http: //feynman. lps. umontreal. ca/~brunet/Croque. Hubert/