Panorama des expériences: IN2P3-IRFU

Panorama des expériences: IN2P3-IRFU Bruno Mansoulié Service de Physique des Particules IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers) Division des Sciences de la Matière CEA / Saclay B.Mansoulié

IN2P3 et IRFU • CNRS-IN2P3 : 21 labos • Particules, Nucléaire, Astroparticules • 500 chercheurs, 350 enseignants-chercheurs, 1900 ITA • CEA-IRFU (ex DAPNIA): 1 labo • Particules, Nucléaire, Astroparticules, Astrophysique • 415 Ingénieurs et physiciens, 205 Techniciens • Thématiques • Particules: constituants et interactions élémentaires (∞ petit) • Nucléaire: Noyaux atomiques, matière nucléaire (∞ complexe) • Astrophysique: Corps célestes, univers (∞ grand) • Interfaces (nombreuses!) • Part /Nucl: Structure du proton, quarks et gluons, neutrinos réacteurs… • Part / Astro : Cosmologie, matière noire, observatoires g, n … • Nucl /Astro : Nucléosynthèse, évolution étoiles… B.Mansoulié

Une façon de voir: évolution de l’univers • Théorie du Big Bang: • A t = 0 , univers très dense, très chaud, distances très petites • Puis: expansion: D ↑, r ↓, T↓ • Age actuel de l’univers: ~ 13 ± 1 109 années • Relation température/énergie • dans un milieu en équilibre thermique, E cinétique particules : distribution de Boltzmann, énergie moyenne ~ kT. Pour particules: 1 eV  11600 K • Remonter dans le temps • => univers de + en + dense et chaud , énergie des particules de + en + élevées => relation physique des particules/cosmologie. B.Mansoulié

Évolution de l’univers du Big Bang à aujourd’hui • Temps Energie/température Physique 10-39 s 1019 eV= MPlanck Gravitation quantique: on ne sait rien! Cordes?? Théorie « unique » 10-35 s 1016 eV Séparation interaction forte/électrofaible quarks, leptons 10-10 s 100 GeV Séparation interactions EM et faible quarks, électrons 10-6 s 1 GeV Les quarks s’assemblent en hadrons pions, protons, neutrons… 3 min 1 MeV Formation des noyaux H, D, 3He, 4He, Li… + électrons + photons 300 000 ans 1eV Formation des atomes « Découplage » des photons => rayonnement fossile Non thermalisé Formation des structures: galaxies,etc.. Naissance des étoiles… B.Mansoulié

Evolution: unification/séparation des forces • 2 façons de voir: • Evolution de l’univers • dans le temps • Aujourd’hui: structure • de la matière à des • échelles de plus en plus • petites B.Mansoulié

Autre vision: sources de particules • Cosmiques (observatoires, satellites) • Photons (toutes longueurs d’ondes: radio… g de 100 TeV) • Neutrinos (Antares) • Protons etc. (gamme d’énergie… de AMS à Auger…) • Matière noire? (Edelweiss…) • Radioactivité • Naturelle (NEMO…) • Artificielle (réacteurs 2-Chooz..) • Accélérateurs • Très haute énergie: collisionneurs (TeVatron, LHC) • Spécialisés (Jefferson, Babar, T2K....) • Noyaux (Ganil, GSI, …) B.Mansoulié

Site, taille et type des expériences • Très grandes collaborations, détecteurs multiples et complexes, 100-500 ME • Centres mondiaux: CERN : ex Atlas, CMS: 2000 physiciens. • Satellites • Grandes collaborations, détecteurs « orientés », 20-100 ME • Cibles fixes: ex: Compass, Opera, 250 physiciens (CERN) • Physique nucléaire « intermédiaire » Ganil, GSI, … • Astroparticules: Antares, Auger (Argentine), Hess (Namibie)… • Collaborations moyennes, détecteurs « pointus », 5-20 ME • Astroparticules: matière noire (Edelweiss), Double beta (NEMO)… • Neutrinos réacteurs • Physique nucléaire « légère » • Petites expériences, prototypes, moins de 5 ME • Très variés: EDM (Grenoble), Anti-hydrogène (IRFU)… B.Mansoulié

Technologies et moyens • Diversité des utilisations, unité des technologies et méthodes • Détection exemples: • Silicium: CMS (Cern LHC), Glast (satellite), Must (ganil) • Lumière: PM’s, APD… • Mécanique • Légère et immatérielle! (détecteurs centraux, satellites…) • Lourde et stable (calorimètres, aimants, outillages). • Electronique • Bas bruit, rapide, grand nombre de canaux, intégration Micro-électronique: ex pipe-lines analogiques: ATLAS/Antares/Valorisation/T2K.. • Informatique • Calculs intensifs (CC-Lyon), Grille de calcul • Accélérateurs, magnétisme, cryogénie B.Mansoulié

Physique des particules • Thèmes principaux • Collisionneurs haute énergie • Energies élevées de collision • Exploration de la matière aux plus petites échelles • Temps les plus courts après le Big-Bang • Violation de CP, matière-antimatière • Energies moyennes • Intensités élevées => mesures effets très fins • Asymétrie matière-antimatière: ingrédient essentiel • Neutrinos • Energies moyennes ou faibles (accélérateurs, réacteurs) • Excellente sonde pour effets fins. B.Mansoulié

Collisionneurs haute énergie • Physique: exploration, nouvelles particules (Higgs, Susy…), tests Modèle Standard • Aujourd’hui: le Modèle Standard est toujours confirmé! • Succession d’accélérateurs de plus en plus puissants et de moins en moins nombreux! Filières: • e+- e-: LEP (1989 – 2000), futur : ILC (?) • p-p ou p-pbar: TeVatron (Chicago, 1992-), LHC (Cern, 2009-) • LHC : machine mondiale . 20 ans de construction, >15 ans d’exploitation ? 4 expériences: • ATLAS, CMS, (haute énergie: Higgs, Susy…) • ALICE (nucléaire: quarks, gluons) • LHCb (matière antimatière) • IN2P3 dans les 4, IRFU: Atlas, CMS, Alice • Aujourd’hui: ~ 50 physiciens à l’IRFU ~200 à l’IN2P3 B.Mansoulié

Matière-antimatière • Physique: légère asymétrie entre particules et antiparticules, découverte en laboratoire en 1964 (Nobel 1980) dans le système des mésons K. • Probablement reliée à l’asymétrie originelle: • Big-Bang: matière = antimatière => annihilation. Asymétrie => reste 10-9 de matière Autorisée dans le Modèle Standard, mais mal comprise • Cible fixe: exp NA48 au Cern(terminée 2004) • Faisceaux de K. Résultat expérimental essentiel. Théorie? • Collisionneur e+ e- moyenne énergie : Babar (Stanford, USA, terminée 2008) • Système des mésons B; nombreuses mesures. • LHCb: Mésons B à LHC • Futur: Super B-factory? • R&D anti-hydrogène à l’IRFU (4 personnes!) • Voir « tomber » l’anti hydrogène!? Source intense de positons, pièges, positronium, Cern AD B.Mansoulié

Neutrinos • Neutrino particule un peu à part, sensible seulement à l’interaction faible, masse presque nulle… Renouveau complet depuis ~10 ans: les neutrinos ont des masses, se mélangent! Source d’asymétrie matière-antimatière dans l’univers? • Naturel: NEMO (tunnel Modane) • Le neutrino est-il sa propre antiparticule? • Réacteur: Double-Chooz (centrale EDF) (2009) • q13, le dernier paramètre inconnu du mélange des neutrinos avant l’asymétrie matière-antimatière (plus dur!) • Faisceaux: • Opera (Cern-> Gran Sasso) détecteur dédié; émulsions photos • T2K (Japon, -> détecteur souterrain )(2009) Détecteur à eau géant Super-K, déjà découvreur du mélange… Dans les neutrinos atmosphériques (produits par cosmiques) B.Mansoulié

Physique Nucléaire • Principales thématiques • Structure et dynamique des noyaux • Exploration de la « carte des noyaux » en particulier aux frontières • Essentiel pour comprendre la nucléosynthèse • Système complexe en interaction forte • Plasma de quarks et gluons • Etat particulier de la matière: quarks et gluons « libres » • Théorie big bang: avant la formation des noyaux • Structure du nucléon • Nucléon: proton, neutron. • Quarks et gluons en interaction forte: théorie difficile! • Masse des hadrons, spin, distributions, corrélations… B.Mansoulié

Structure et dynamique des noyaux • Exploration de la carte des noyaux aux extrêmes • Limite en charge Z et masse A ? • « Super-lourds » stables? • Limite en moment angulaire? • Processus astrophysiques? • Essentiellement à Ganil • Faisceaux d’ions • Ions radio-actifs (Spiral) • futur: Spiral2 • Détecteurs « facilities » • Traces: INDRA, VAMOS, MUST… • Gammas: Eurogam, Euroball… • Futur: AGATA Superdéformé Octupolaire B.Mansoulié

Plasma de quarks et gluons • Théorie des interactions fortes « QCD »: à très haute température et densité, les quarks et gluons forment un « plasma » où ils sont ~ libres. • Nouvel état de la matière (nucléaire). • Collisionneurs d’ions lourds • RHIC (2000-), exp STAR et PHENIX Collisions -> Au + Au • Futur: LHC (-> Pb-Pb) , exp ALICE B.Mansoulié

Structure du nucléon • Nucléon: proton, neutron • Assemblage de quarks et de gluons, plus compliqué qu’il n’en a l’air! • Masse du nucléon ~1 GeV mais masse totale des quarks: 0.01 GeV ! • Spin nucléon: ½, mais spin total quarks ~.25 x (½) ! • Jefferson Lab (USA): e- (6 GeV, intense) sur p, d • Plusieurs expériences dédiées. • Corrélations quarks (« GPD ») • Cern Compass: (IRFU seult) • Muons sur cible polarisée => études spin, corrélations… B.Mansoulié

Astrophysique (IRFU) • Cosmologie (voir astroparticules) • Origine et évolution de l’univers • Formation et évolution des galaxies • Quand et comment se sont formées les grandes structures? • Amas de galaxies, galaxies, environnement • Quand et comment se sont formées les étoiles? • Poussière interstellaire, nuages moléculaires… • Approche « multi-longueurs d’onde » • Satellites: X (Chandra, XMM), optique (JWST), Infrarouge(Spitzer, Iso, Herschel) • Sol : optique (Megacam, VLT(Visir), mm(Alma), radio(VLA)…) • Formation des étoiles et planètes • Poussières, disques protoplanétaires • Planètes, anneaux de Saturne (Cassini-Huygens) B.Mansoulié

Étoiles Énergie noire Matière noire baryonique Matière noire non baryonique Astroparticules • Cosmologie • Contenu énergétique de l’Univers Le mystère de la matière noire et de l’énergie noire: • notre matière ordinaire : 4% • matière nature inconnue: 23% • le reste, 73% : énergie, mais pas de la matière! (totalement incomprise pour la physique microscopique) • Matière noire en direct • Détecter directement la matière noire de notre galaxie • Sources cosmiques • Tous médiateurs: protons, photons, neutrinos, ondes gravitationnelles… B.Mansoulié

Cosmologie • Contenu énergétique de l’univers? • Géométrie de l’univers (lien géométrie-matière) • supernovae lointaines (SNLS) • Fond diffus cosmologique (Archeops, [WMAP], Planck) • Déformations par effet gravité (Dune) • Radio-astronomie (HSHS…) • Modélisation • Simulations numériques (Horizon…) Formation des grandes structures, filaments, amas de galaxies… Dépendance de la physique microscopique (matière noire, interactions…) B.Mansoulié

Matière noire • Détection indirecte: observations • Comportement des amas de galaxies (XMM, MegaCam) • Collisions de galaxies • Recherche des produits d’annihilation (Hess) • Effets optiques (microlentilles): EROS • Cartographie par cisaillement gravitationnel(Dune) • Détection directe • Matière noire: halo de notre galaxie • Particules? Chocs sur noyaux => recul du noyau: ionisation, énergie… Détecteurs ultra-sensibles: Edelweiss (Ge)… B.Mansoulié

Sources cosmiques Auger • Rayons cosmiques: témoins évolution univers et ses objets, en particulier les plus violents… (trous noirs, noyaux actifs de galaxies…) • Energies extrêmes: Auger • Photons haute énergie • Hess (sol), GLAST (satellite) • Neutrinos: Antares • Ondes gravitationnelles: Virgo, Lisa • Particules environnantes: AMS Paris B.Mansoulié

Conclusion • Cette présentation: « expériences ». Il y a aussi l’aspect « accélérateurs, cryogénie, magnétisme », sans oublier l’enseignement et la valorisation. • IN2P3 et IRFU: forte unité intellectuelle sur « les lois fondamentales de l’Univers » • Grande synergie des moyens techniques: n’hésitez pas à penser « transverse »! B.Mansoulié

Panorama des expériences: IN2P3-IRFU