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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Tout un Univers à découvrir

Wednesday, January 15th, 2014

Les deux dernières années ont été plutôt exceptionnelles pour le CERN. En 2012, les expériences CMS et ATLAS  ont découvert le boson de Higgs, confirmant le mécanisme élaboré 48 ans auparavant par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. Et en 2013, Englert et Higgs se sont vus décerner le Prix Nobel de physique pour leurs travaux.

2014 sera également une année spéciale, puisque le CERN célébrera ses 60 ans. Mais au-delà de son anniversaire, cette année le CERN prépare le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à explorer de nouveaux territoires.

Avec la découverte du boson de Higgs, nous avons complété le Modèle Standard, la théorie actuelle qui explique de quoi toute la matière visible est faite. Mais ce type de matière ne compte que pour 5 % du contenu total de l’Univers. L’existence de matière sombre nous prouve que le modèle actuel est incomplet. Jusqu’ici, l’analyse des données prises à 8 TeV ne révèle pas pour l’instant de traces de cette matière sombre. Pour pousser nos recherches plus loin et plus vite, nous devons augmenter la portée du LHC en allant à plus haute énergie.

C’est pourquoi depuis février 2013 tous les accélérateurs et expériences du CERN sont à l’arrêt afin d’effectuer des travaux de maintenance et de consolidation. Ceci se poursuivra en 2014 pour le LHC, mais plusieurs accélérateurs du complexe du CERN reprendront du service dès cet été.

H-bottle

Le point de départ de la chaîne d’accélérateurs est une simple bouteille d’hydrogène. Les électrons sont arrachés aux atomes d’hydrogène par un champ électrique pour ne laisser que les protons. Ceux-ci sont ensuite accélérés dans un petit accélérateur linéaire (LINAC 2 en bas, au centre du diagramme ci-dessous). L’anneau d’ions de basse énergie (LEIR) joue le même rôle, mais avec des ions lourds.

Accelerators

Les protons obtiennent une poussée supplémentaire dans le Booster avant d’être injectés dans le plus vieil accélérateur du CERN encore en service, le synchrotron à protons (PS). Puis les protons sont dirigés vers le supersynchrotron à protons (SPS) où ils atteignent une énergie de 450 GeV (soit 450 milliards d’électronvolts). C’est l’étape finale avant l’injection dans le LHC où des énergies près de trente fois plus grandes seront atteintes en 2015, soit 13 TeV.

Plans-2014-fr
Les faisceaux issus de la chaîne d’accélérateur alimentent aussi d’autres zones expérimentales comme ISOLDE et n-TOF où un très grand nombre d’expériences nucléaires prennent place. D’autres protons sont dirigés vers une cible pour produire des antiprotons pour le Décélérateur d’Antiprotons (AD), un laboratoire consacré à l’étude de l’antimatière. Ces expériences reprendront toutes leurs activités en 2014.
Tous les travaux de consolidation du LHC et de ses expériences s’effectuent en parallèle. ATLAS et CMS prévoient d’achever leurs travaux sur les détecteurs avant novembre. ALICE sera prêt début décembre et LHCb début janvier 2015.

Dans le même temps, tous les physicien-ne-s qui ne sont pas impliqué-e-s dans ces travaux finalisent les analyses des données prises jusqu’en 2013, préparent de nouvelles simulations à plus haute énergie, améliorent les algorithmes de reconstruction des données ou rendent les critères de sélection du système de prise de données plus performant. Tout le monde doit relever le défi d’être prêt à traiter plus de données récoltées à plus haute énergie. Tout ça dans l’espoir que nous serons peut-être récompensé-e-s encore une fois par de nouvelles découvertes puisqu’il reste encore tout un monde à découvrir.

Pauline Gagnon

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Un pas de géant pour le boson de Higgs

Friday, December 6th, 2013

Les collaborations ATLAS et CMS du CERN ont maintenant l’évidence que la nouvelle particule découverte en juillet 2012 se comporte de plus en plus comme le boson de Higgs. Les deux expériences viennent en fait de démontrer que le boson de Higgs se désintègre aussi en particules tau, des particules semblables aux électrons mais beaucoup plus lourdes.

Pourquoi est-ce si important? CMS et l’ATLAS avaient déjà établi que ce nouveau boson était bien un type de boson de Higgs. Si tel est le cas, la théorie prévoit qu’il doit se désintégrer en plusieurs types de particules. Jusqu’ici, seules les désintégrations en bosons W et Z de même qu’en photons étaient confirmées. Pour la première fois, les deux expériences ont maintenant la preuve qu’il se désintègre aussi en particules tau.

La désintégration d’une particule s’apparente beaucoup à faire de la monnaie pour une pièce. Si le boson de Higgs était une pièce d’un euro, il pourrait se briser en différentes pièces de monnaie plus petites. Jusqu’à présent, le distributeur de monnaie semblait seulement donner la monnaie en quelques façons particulières. On a maintenant démontré qu‘il existe une façon supplémentaire.

Il y a deux classes de particules fondamentales, appelées fermions et bosons selon la valeur de quantité de mouvement angulaire. Les particules de matière comme les taus, les électrons et les quarks appartiennent tous à la famille des fermions. Par contre, les particules associées aux diverses forces qui agissent sur ces fermions sont des bosons, comme les photons et les bosons W et Z.

L”été dernier, l’expérience CMS avait déjà apporté la preuve avec un signal de 3.4 sigma que le boson de Higgs se désintégrait en fermions en combinant leurs résultats pour deux types de fermions, les taus et les quarks b. Un sigma correspond à un écart-type, la taille des fluctuations statistiques potentielles. Trois sigma sont nécessaires pour revendiquer une évidence tandis que cinq sigma sont nécessaires pour clamer une découverte.

Pour la première fois, il y a maintenant évidence pour un nouveau canal de désintégration (les taus) – et deux expériences l’ont produit indépendamment. La collaboration ATLAS a montré la preuve pour le canal des taus avec un signal de 4.1 sigma, tandis que CMS a obtenu 3.4 sigma, deux résultats forts prouvant que ce type de désintégrations se produit effectivement.

En combinant leurs résultats les plus récents pour les taus et les quarks b, CMS a maintenant une évidence pour des désintégrations en fermions avec 4.0 sigma.
ATLAS-H-tautau

Les données rassemblées par l’expérience ATLAS (les points noirs) sont en accord avec la somme de tous les évènements venant du bruit de fond (histogrammes en couleur) en plus des contributions venant d’un boson de Higgs se désintégrant en une paire de taus (la ligne rouge). En dessous, le bruit de fond est soustrait des données pour révéler la masse la plus probable du boson de Higgs, à savoir 125 GeV (la courbe rouge).

CMS commence aussi à voir des désintégrations en paires de quarks b avec un signal de 2.0 sigma. Bien que ceci ne soit toujours pas très significatif, c’est la première indication pour cette désintégration jusqu’ici au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Les expériences du Tevatron avaient rapporté l’observation de telles désintégrations à 2.8 sigma. Bien que le boson de Higgs se désintègre en quarks b environ 60 % du temps, il y a tant de bruit de fond qu’il est extrêmement difficile de mesurer ces désintégrations au LHC.

Non seulement les expériences ont la preuve que le boson de Higgs se désintègre en paires de taus, mais elles mesurent aussi combien de fois ceci arrive. Le Modèle Standard, la théorie qui décrit à peu près tout ce qui a été observé jusqu’à maintenant en physique des particules, stipule qu’un boson de Higgs devrait se désintégrer en une paire de taus environ 8 % du temps. CMS a mesuré une valeur correspondant à 0.87 ± 0.29 fois ce taux, c’est-à-dire une valeur compatible avec 1.0 comme prévu pour le boson de Higgs du Modèle Standard. ATLAS obtient 1.4 +0.5-0.4, ce qui est aussi consistent avec la valeur de 1.0 à l‘intérieur des marges d’erreur.

CMS-Htautau1

Un des événements captés par la collaboration CMS ayant les caractéristiques attendues pour les désintégrations du boson de Higgs du Modèle Standard en une paire de taus. Un des taus se désintègre en un muon (ligne rouge) et en neutrinos (non visibles dans le détecteur), tandis que l’autre tau se désintègre en  hadrons (particules composées de quarks) (tours bleues) et un neutrino. Il y a aussi deux jets de particules vers l’avant (tours vertes).

Avec ces nouveaux résultats, les expériences ont établi une propriété de plus prédite pour le boson de Higgs du Modèle Standard. Reste encore à clarifier le type exact de boson de Higgs que nous avons. Est-ce bien le plus simple des bosons, celui associé au Modèle Standard? Ou avons nous découvert un autre type de boson de Higgs, le plus léger des cinq bosons de Higgs prévus par une autre théorie appelée la supersymétrie.

Il est encore trop tôt pour écarter cette deuxième hypothèse. Tandis que le boson de Higgs se comporte jusqu’ici exactement comme ce à quoi on s’attend pour le boson de Higgs du Modèle Standard, les mesures manquent encore de précision pour exclure qu’il soit de type supersymétrique. Une réponse définitive exige plus de données. Ceci arrivera une fois que le LHC reprendra du service à presque deux fois l’énergie actuelle en 2015 après l’arrêt actuel pour maintenance et consolidation.

En attendant, ces nouveaux résultats seront affinés et finalisés. Déjà ils représentent un petit pas pour les expériences et un bond de géant pour le boson de Higgs.

Pour tous les détails (en anglais seulement)

Présentation donnée par la collaboration ATLAS le 28 novembre 2013

Présentation donnée par la collaboration CMS le 3 décembre 2013

Pauline Gagnon

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Visitez le CERN à Londres

Monday, November 25th, 2013

Si vous n’avez pas eu la chance de visiter le CERN à Genève, vous pouvez maintenant le faire à Londres. En effet, le Musée de la science de Londres vient tout juste d’ouvrir une nouvelle exposition intitulée : Collider. J’ai pu la visiter et peux confirmer que cette exposition transmet réellement l’impression d’être au CERN.

L’exposition, ouverte jusqu’en mai 2014, explore les personnes, la science et l’ingénierie derrière la plus grande expérience scientifique jamais construite, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

L’exposition commence dans un petit amphithéâtre où les visiteurs ont le sentiment d’assister à la réunion tenue dans celui du CERN le 4 juillet 2012. C’était le jour où l’on a annoncé la découverte d’une nouvelle particule, qui s’avéra bien être un boson de Higgs. Quelques physicien-ne-s y partagent leurs impressions sur la physique des particules et leur participation aux travaux ayant mené à cette découverte.

Comme la conservatrice Alison Boyle nous a expliqué à mes collègues et à moi, leur idée était de décrire  en essence les diverses personnes qu’ils et elle avaient rencontrées au CERN au cours des deux années requises pour préparer cette exposition. Bien que quelques personnages nous aient semblé légèrement étranges, d’autres étaient drôlement familiers.

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Les professeurs Peter Higgs et Stephen Hawking durant leur visite de l’exposition Collider  (© Science Museum)

L’exposition est stupéfiante dans son utilisation intelligente de différents effets visuels. Les visiteurs traversent des pièces aux murs couverts d’images grandeur nature représentants des endroits clés du CERN, donnant l’impression d’y être. Des notes griffonnées sur des tableaux ou des bouts de papiers collés aux murs, comme on en voit tant partout au CERN, renforcent la similitude tout en fournissant les explications nécessaires. De vrais objets rehaussent les images pour créer une ambiance bien spéciale. Une super animation vidéo donne aussi une idée de ce que les particules rencontrent lors de leur passage à travers les détecteurs.

Mais pour les gens du CERN, l’élément le plus surprenant est la reproduction d’un couloir dans toute sa splendeur d’architecture des années 1950. Les murs vieillots sont couverts d’affiches annonçant toute une série de conférences passées ou futures ainsi que des activités locales, aussi bien celles du choeur du CERN que du groupe LGBT. J’ai eu l’impression d’être au travail tout en me trouvant à des milliers de kilomètres de distance.

Si vous ne pouvez pas venir visiter l’original, voici donc un excellent succédané qui vous plongera dans l’ambiance du CERN. L’exposition partira éventuellement en tournée à travers le monde, donnant ainsi la chance à plus de monde de voir un peu comment ça se passe au plus grand laboratoire de physique du monde.

Vous pouvez suivre le blog de l’exposition ici.

Pauline Gagnon

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Un prix Nobel des plus appréciés au CERN

Tuesday, October 8th, 2013

L’ensemble du CERN a été ravi ce matin d’apprendre que le prix Nobel de physique a été décerné cette année aux professeurs François Englert et Peter Higgs pour leurs travaux théoriques sur ce qui est maintenant connu comme le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Ce mécanisme explique comment les particules élémentaires obtiennent leurs masses.
Le CERN a aussi de bonnes raisons de célébrer, puisque le 4 juillet 2012, les scientifiques travaillant sur les expériences du LHC avaient fièrement annoncé la découverte d’une nouvelle particule. Ils et elles ont pu confirmé depuis qu’il s’agissait bien d’un boson de Higgs. Cette particule prouve que la théorie élaborée par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs et autres en 1964 était bien correcte.

higgs-and-englert

Au CERN, nous sommes donc tous et toutes très heureuses de voir leur travail (et dans une certaine mesure, notre travail) récompensé par ce prix fort prestigieux.

Ce n’est pourtant qu’une décennie après leurs publications que Steve Weinberg, co-lauréat du prix Nobel en 1979, réalisa la pleine portée de leur travail en unifiant deux forces fondamentales, les forces électromagnétique et faible. C’est ce que Peter Higgs a expliqué en juillet dernier lors de la réunion de la division de physique des particules de la Société européenne de physique, où il a fait une présentation fort appréciée. Il y avait détaillé les contributions de tous ceux qui l’avaient précédé, y compris Englert et Brout, chacun fournissant un des éléments clés qui lui ont permis de concevoir son propre travail.

Il a rappelé comment tout a commencé avec Yoichiro Nambu et son travail de pionnier sur la « brisure de symétrie spontanée » dès 1960 (travail pour lequel il a partagé le prix Nobel en 2008). Nambu s’était lui-même inspiré des travaux de Robert Schrieffer, un physicien de la matière condensée qui avait développé des concepts similaires pour la théorie de la supraconductivité avec John Bardeen et Leon Cooper (prix Nobel de 1972).

La brisure spontanée de symétrie est au centre du mécanisme de Brout-Englert-Higgs récompensé aujourd’hui par l’Académie des sciences de Suède.
Le physicien Jeffrey Goldstone a ensuite proposé un modèle de champ scalaire souvent désigné comme le potentiel du “chapeau mexicain”, tandis qu’un autre théoricien de la matière condensée, Philip Anderson, (prix Nobel de 1977), a montré comment contourner certains problèmes soulevés par Goldstone.

Par la suite, Englert et Brout ont publié leur article, où leur mécanisme a finalement été révélé. Peter Higgs, qui travaillait indépendamment de Brout et Englert, a publié son article un mois plus tard en mentionnant spécifiquement l’existence d’un boson associé à ce mécanisme. Tom Kibble, Gerald Guralnik et Carl Hagen ont peu après contribué des éléments clés supplémentaires venant compléter cette théorie.

«J’ai du mentionner ce boson explicitement parce que mon article avait d’abord été rejeté pour manque de prévisions concrètes”, a expliqué Peter Higgs en riant lors de son discours l’été dernier. Cette référence à un nouveau boson explique en partie pourquoi son nom fut associé avec le désormais célèbre boson.

L’histoire du mécanisme de Brout-Englert-Higgs montre bien comment, en théorie tout comme en physique expérimentale, il faut beaucoup de monde contribuant de bonnes idées, un peu de chance mais surtout une grande collaboration pour aboutir à des découvertes révolutionnaires.

Les milliers de physicien-nes, ingénieur-e-s et technicien-ne-s ayant participé à la découverte du boson de Higgs avec le LHC ont également d’excellentes raisons de célébrer aujourd’hui.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur le boson de Higgs, voici une conférence grand public de 25 minutes que j’ai donnée au CERN lors des Journées portes ouvertes

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Nouvel éclairage de CLOUD sur les changements climatiques

Monday, October 7th, 2013

Dans un article publié dans la revue Nature, l’expérience CLOUD du CERN révèle une avancée majeure vers la résolution d’une énigme de longue date en science du climat: comment les particules d’aérosols se forment-elles dans l’atmosphère? On sait que toutes les gouttelettes au sein des nuages se forment à partir d’aérosols, les minuscules particules solides ou liquides en suspension dans l’air. Mais comment ces aérosols se forment, leur “nucléation” à partir de traces de gaz dans l’atmosphère, et quels gaz contribuaient au processus, demeuraient un mystère.

Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les particules d’aérosols et leur influence sur les nuages constituent l’inconnu majeur dans l’évaluation du changement climatique d’origine humaine. Comprendre comment les particules d’aérosols se forment dans l’atmosphère est donc essentiel. En plus grande concentration, les aérosols contribuent au refroidissement de la planète car ils réfléchissent davantage les rayons solaires et forment de plus petites mais plus nombreuses gouttelettes nuageuses. Tout cela fait des nuages plus réfléchissants et prolonge leur durée de vie. Ces processus étaient mal compris et limitaient actuellement la précision des projections climatiques pour le 21e siècle.

Grâce à l’expertise du CERN en science des matériaux, systèmes de gaz et technologie de l’ultra-vide, l’équipe de CLOUD a pu construire une chambre d’une propreté sans précédent. Cela leur a permis d’introduire des quantités infimes de diverses vapeurs atmosphériques dans une atmosphère d’abord «pure» et dans des conditions soigneusement contrôlées, et commencer ainsi à percer le mystère.

Les chercheur-e-s ont fait deux découvertes clés. Tout d’abord, que des concentrations infimes d’amines peuvent se combiner avec de l’acide sulfurique pour former des particules d’aérosols, et ce à des taux similaires aux observations atmosphériques. Deuxièmement, en utilisant un faisceau de pions du Synchrotron à protons du CERN, ils et elles ont démontré que le rayonnement cosmique a une influence négligeable sur les taux de formation de ces particules d’aérosols.
CLOUD

Le graphe détaillé ci-dessus montre le taux de nucléation (c’est-à-dire la vitesse à laquelle les particules d’aérosols se forment) en fonction de la concentration en acide sulfurique. Les petits carrés de couleur en arrière-plan donnent les valeurs qu’on retrouve dans l’atmosphère. Les mesures de CLOUD (grands symboles) ont été obtenues en introduisant différentes vapeurs dans la chambre (courbe 1: seulement de l’acide sulfurique et de l’eau, courbe 2: avec ajout d’ammoniaque; courbes 3 à 5: avec ajout d’amines). Les lignes en pointillés et les bandes de couleur indiquent les taux de nucléation théoriques pour ammoniaque + acide sulfurique (bleu) et amine + acide sulfurique (rouge / orange), basés sur des calculs de chimie quantique. Seuls les amines reproduisent les taux de nucléation observés dans l’atmosphère, tandis que l’ammoniaque donne un taux mille fois trop petit.

Les amines sont des vapeurs atmosphériques étroitement liées à l’ammoniaque qui proviennent d’activités humaines telles que l’élevage mais aussi de sources naturelles. Les amines sont responsables des odeurs associées à la décomposition de matière organique contenant des protéines. Par exemple, l’odeur de poisson pourri est due à la triméthylamine.

Grâce à leur chambre ultra-propre unique, les scientifiques de CLOUD ont montré pour la toute première fois que des concentrations extrêmement faibles d’amines telles qu’on en trouve généralement dans l’atmosphère (à savoir quelques parties par billion en volume ou pptv) suffisent. Les amines peuvent alors se combiner avec de l’acide sulfurique et former des particules d’aérosols très stables à des taux similaires à ceux observés dans la basse atmosphère, comme l’indique le graphe ci-dessus.

Jasper

Jasper Kirkby, porte-parole de l’expérience CLOUD accroupi à l’intérieur de la chambre unltra-propre utilisée pour ces travaux.

Ces mesures précises en laboratoire ont permis à l’équipe de CLOUD de comprendre de façon fondamentale le processus de nucléation au niveau moléculaire. Les scientifiques peuvent même reproduire leurs résultats expérimentaux en utilisant des calculs de chimie quantique de nucléation moléculaire.

C’est la première fois qu’une expérience a pu reproduire les taux de formation des particules atmosphériques en connaissant parfaitement les molécules participantes. Ainsi, les résultats de CLOUD représentent une avancée majeure dans notre compréhension de la nucléation atmosphérique.

Personne ne s’attendait à ce que le taux de formation des particules d’aérosol dans la basse atmosphère soit si sensible aux amines. Une grande partie des amines résultent de l’activité humaine, mais elles n’ont pas été considérées jusqu’ici par le GIEC dans leur évaluation du climat. L’expérience CLOUD a donc révélé un nouveau mécanisme important qui pourrait contribuer à un effet de refroidissement mais qui avait été négligé jusqu’à présent.
Par ailleurs, une technique appelée « lavage aux amines » est susceptible de devenir la technologie dominante pour capturer le dioxyde de carbone émis par les centrales électriques à combustibles fossiles. Par conséquent, les émissions d’amines pourraient augmenter à l’avenir et devront maintenant être prises en compte lors de l’évaluation de l’impact des activités humaines sur le climat passé et futur.

Pauline Gagnon

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Journées Portes Ouvertes et maux de gorge

Wednesday, October 2nd, 2013

Plusieurs avaient mal à la gorge cette semaine au CERN. Pas surprenant étant donné les 70 000 personnes toutes très curieuses que nous avons accueillies le week-end dernier! C’était incroyable de voir autant d’intérêt venant du public et l’enthousiasme des 2300 bénévoles.

linac2

Tout le monde avait mis la main à la pâte: de la brigade d’incendie aux gens des expériences, chacun et chacune montrait son coin de laboratoire. Spécialistes des accélérateurs, physicien-ne-s, personnel administratif et de soutien, tout le monde portait fièrement leur T-shirt orange vif .

Grâce au système de billetterie mis en place pour faciliter les visites souterraines, le temps d’attente était réduit par rapport à l’édition précédente de 2008. Ce n’était pas facile d’accueillir toutes les personnes désireuses de voir les détecteurs par 100 mètres de profondeur, la capacité des ascenseurs limitant leur accès. Néanmoins, 20 000 personnes ont pu visiter les installations souterraines par petits groupes aux différents points de visite.

CMS

Mais il y avait aussi énormément d’action à la surface. J’étais au stand d’ATLAS le samedi matin pour répondre aux questions sur le laboratoire et les diverses activités de recherche. J’y ai rencontré des gens venus expressément de République tchèque, Suède, Lituanie, Pologne, Algérie, Etats-Unis, Écosse, Espagne et même Australie juste pour avoir la possibilité d’explorer le plus grand laboratoire de physique des particules au monde.

Visitors to the ALICE experiment.

Les bénévoles ont également été saisi l’occasion pour découvrir des zones qu’ils et elles n’avaient jamais visité auparavant. Ce fut certainement mon cas et je courais d’un point à l’autre pour essayer de visiter autant de sites que possible entre mes différentes fonctions .

Visitor playing with robotic machine in metrology lab.
J’ai été particulièrement impressionnée par l’enthousiasme affiché par les machinistes dans l’immense atelier situé juste à côté de mon bureau. Je passe à côté chaque matin mais c’était la première fois que je pouvais voir leurs machines époustouflantes ainsi que les pièces incroyables qui y sont produites: des objets ronds, soufflés ou taillés, certains de forme énigmatique ou à géométrie complexe.

RF-cavity
Il y avait de quoi s’amuser pour les jeunes et moins jeunes aussi. Les grutiers les laissaient monter dans des nacelles géantes ou soulever des poids énormes à l’aide d’une télécommande. Les pompiers et pompières éteignaient des feux spectaculaires ou mettaient en scène des opérations de sauvetage souterrain.

kid-lifting

Le département de la cryogénie avait son très populaire stand de l’azote liquide où on pouvait léviter sur un scooter supraconducteur.

levitating
Sur le chemin du retour peu avant 20 heures dimanche soir, j’ai remarqué un de mes jeunes collègues qui expliquait encore avec grand enthousiasme le fonctionnement d’un aimant dipolaire. Il avait commencé à 8 heures le jour précédent, affichant toujours la même passion mais avec un petit peu moins de voix.

La plupart des conférences grand public présentées durant le weekend seront disponibles sous peu, certaines en français, d’autres en anglais.

Pauline Gagnon

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ATLAS

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Zoom sur de nouvelles particules

Friday, September 20th, 2013

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a cessé d’opérer au printemps pour entreprendre un programme de consolidation majeure, mais la quête pour une « nouvelle physique » se poursuit. Les physicien-ne-s profitent de cette pause pour finaliser toutes leurs analyses avec l’ensemble des données recueillies jusqu’à présent.

Des dizaines de nouveaux résultats ont déjà été présentés par les quatre expériences du LHC lors de diverses conférences depuis la fin des opérations. Bien qu’une poignée seulement de ces résultats ait fait les manchettes, l’information nouvellement disponible permet aux théoricien-ne-s d’affiner leurs modèles.

Même avec la découverte d’un boson de Higgs, les physicien-ne-s savent bien que le Modèle Standard de la physique des particules ne peut pas être la réponse finale car il comporte plusieurs lacunes. Par exemple, il ne fournit aucune explication sur la nature de la matière sombre ou pourquoi les masses des particules fondamentales comme celles des électrons et des muons diffèrent autant.

Une autre théorie appelée supersymétrie (SUSY pour les intimes) offre la possibilité d’étendre le Modèle standard. C’est l’alternative la plus populaire mais encore faut-il arriver à prouver son existence en trouvant les nouvelles particules qu’elle prédit.

La difficulté majeure pour tester cette théorie vient du fait qu’elle introduit de nombreux paramètres. Pour trouver les

nouvelles particules supersymétriques qu’elle prédit, il faut donc explorer un vaste territoire à 105 dimensions, correspondant aux 105 paramètres libres. Trouver ces particules est comme essayer de repérer un visage inconnu dans une foule de millions de personnes.

Heureusement, les théoricien-ne-s tentent d’orienter les expérimentateurs et expérimentatrices en réduisant cet espace autant que possible à l’aide de considérations théoriques et expérimentales. Un modèle qui a gagné en popularité ces derniers temps est appelé le modèle phénoménologique supersymétrique minimal ou pMSSM. Il utilise seulement 19 paramètres.

Ce modèle incorpore l’information provenant de tous les aspects de la physique des particules. Il intègre les contraintes obtenues à partir des mesures des caractéristiques des bosons Z et bosons de Higgs, de la physique du quark b, de l’astrophysique, ainsi que les recherches directes de matière sombre venant des installations sous-terraines et de particules supersymétriques au LHC.

Plusieurs groupes comprenant des théoricien-ne-s et des expérimentateurs et expérimentatrices ont combiné tous ces résultats récents et passés pour déterminer quelles zones de l’espace des paramètres réduit mais toujours considérable du modèle de pMSSM sont toujours permis.

Ils et elles génèrent d’abord des millions de valeurs possibles correspondant aux valeurs de masses et couplages des particules supersymétriques hypothétiques. Les couplages sont en gros des quantités reliées à la probabilité de produire ces particules au LHC.

Ensuite, ils et elles imposent les diverses contraintes obtenues à partir des nombreuses quantités mesurées par les expériences passées et actuelles pour voir quels points parmi toutes ces possibilités demeurent encore autorisés.

Deux théoriciens, Alex Arbey et Nazila Mahmoudi, et un expérimentateur, Marco Battaglia, contrairement à leurs travaux antérieurs, ont inclus dans leur dernière analyse les résultats positifs rapportés par quatre expériences de recherche directe de matière sombre en supposant qu’ils viennent bien de la matière sombre.

Alors que les tentatives d’autres groupes n’avaient pu trouver de scénarios de SUSY en accord avec les possibles signaux de matière sombre,  leurs résultats sont plutôt surprenants: ils ont trouvé des scénarios suggérant la possibilité d’une particule supersymmétrique appelée neutralino qui serait très légère, avec une masse d’à peine 10 GeV, soit douze fois moins que le boson de Higgs. La seconde particule la plus légère serait la super-partenaire du quark b, appelée sbottom, avec une masse d’environ 20 GeV.

SUSY-predictions

La gamme des masses prévues pour les différentes particules supersymétriques ressortant de cette étude. Le boson de Higgs découvert l’été dernier, h0, correspondrait au plus léger des cinq bosons de Higgs prédits par SUSY et la particule de SUSY la plus légère serait le neutralino χ0.

Si ce scénario est correct, comment une particule aussi légère aurait-elle pu échappé à la détection? La raison est simple: la plupart des recherches menées par les expériences CMS et ATLAS ont tenté jusqu’ici de détecter des événements contenant une grande quantité d’énergie manquante.

C’est le cas pour les événements où une particule supersymmetrique lourde et invisible à nos détecteurs s’échappe. De tels critères de sélection sont nécessaires afin de réduire la quantité écrasante de bruit de fond et isoler les rares événements contenant des particules supersymétriques. Mais des neutralinos légers n’emporteraient qu’une petite partie d’énergie et serait donc passée inaperçue.

Pendant que les théoricien-ne-s déterminent quelles régions de l’espace des paramètres sont encore autorisées, les expérimentateurs et expérimentatrices évaluent l’impact de leurs critères de sélection sur la détection des particules ayant les caractéristiques des régions restantes. De nouvelles stratégies sont actuellement recherchées pour explorer cette possibilité.

En opérant le LHC à plus haute énergie en 2015 et en produisant encore plus de données, on pourra obtenir des réponses définitives à ces questions. Ces efforts combinés ouvriront peut-être bientôt la voie à de nouvelles découvertes.

Pauline Gagnon

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Notre Univers est le vôtre

Friday, August 9th, 2013

Les 28 et 29 septembre de 9h00 à 20h00, le CERN ouvrira encore une fois ses portes au grand public. Ce sera l’occasion de visiter des dizaines de montages expérimentaux et de découvrir le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Tout cela gratuitement.

PO-3Des visiteurs découvrent le détecteur CMS durant les journées Portes Ouvertes en 2008

Il sera possible de descendre dans les installations souterraines et de voir les détecteurs opérant au Grand collisionneur de hadrons (LHC) : ATLAS et CMS où le boson de Higgs a été découvert, ALICE où nous explorons ce qui s’est produit un instant après le Big Bang et LHCb où le Modèle standard est affiné avec une précision inégalée. Les visiteurs auront également l’occasion de découvrir plusieurs autres expériences où nous sondons le monde de l’antimatière (AD), le mystère de la matière sombre (AMS) et l’intérieur des protons (COMPASS) pour n’en citer que quelques-unes.

PO-2Les démonstrations du groupe de cryogénie fascinent tout le monde

Pratiquement tous les aspects du laboratoire seront ouverts aux visiteurs, du centre de calcul aux ateliers mécaniques, en passant par la cryogénie et la métrologie, sans oublier les accélérateurs.

Il y aura des activités pour les enfants, des conférences d’introduction pour les plus curieux et curieuses et du plaisir garanti pour tout le monde. Vous n’aurez que l’embarras du choix. On vous promet une journée inoubliable.

Le programme est déjà en ligne. Comme les visites souterraines sont réservées aux personnes de 12 ans et plus, et soumises à des quotas stricts. Vous devez donc réserver vos places à l’avance. Les billets (gratuits) seront disponibles vers le 15 août, alors gardez l’oeil  (je serai en vacances et ne pourrai vous le rappeler). Cela garantira que tout le monde passera son temps à s’amuser plutôt qu’à faire la file.

J’espère que vous serez parmi les 100 000 personnes que nous aurons le plaisir d’accueillir.

PO-4Le nombre de visiteurs admis dans les ouvrages souterrains est limité par la capacité des ascenseurs

Pauline Gagnon

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Le Modèle standard vérifié à la neuvième décimale près

Tuesday, July 30th, 2013

Lors de la conférence de la Société européenne de physique à Stockholm, deux expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, LHCb and CMS ont apporté des preuves solides que le Modèle standard de la physique des particules ne montre toujours aucun signe de fatigue en poussant la vérification de l’une des prédictions du modèle jusqu’à la neuvième décimale.

Le modèle standard permet des prédictions très précises, mais les théoricien-ne-s savent que cette théorie a ses limites. À plus haute énergie, ses équations commencent à flancher. Les théoricien-ne-s sont donc convaincu-e-s que malgré tout le succès de ce modèle, il ne nous donne qu’une image incomplète du monde matériel. Par conséquent, les scientifiques cherchent l’entrée du “passage secret” vers un niveau supérieur, révélant une théorie plus globale et plus robuste.

Une façon d’y parvenir est de rechercher le moindre petit écart par rapport aux prévisions théoriques. Et un bon endroit pour trouver une petite déviation est en regardant parmi les procédés extrêmement rares. Il est beaucoup plus facile de déceler un léger murmure dans un endroit calme qu’au beau milieu de la circulation aux heures de pointe.

Plus précisément, les scientifiques ont mesuré la fréquence de désintégrations de particules composites appelées mésons Bs et Bd en une paire de muons (particules similaires aux électrons mais 200 fois plus lourdes). Un méson Bs est une particule composite contenant un quark b et un quark s alors que les mésons Bd sont faits de quarks b et d. Ces particules lourdes sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères.

Le modèle standard prédit que les mésons Bs se brisent et donnent une paire de muons environ trois fois sur un milliard de désintégrations tandis que pour les mésons Bd, cela devrait se produire environ trente fois moins souvent. Voilà donc deux excellents endroits où l’existence de phénomènes nouveaux non prévus dans le Modèle standard pourrait créer de petites déviations par rapport aux prédictions.

Toutes les théories allant au-delà du Modèle standard s’accompagnent de nouvelles particules. Ces particules affecteraient les possibilités de désintégrations des autres particules, c’est à dire comment elles se brisent. Une désintégration est très semblable à la façon de faire la monnaie pour une grosse pièce. Imaginez une pièce d’un euro. Elle peut être échangée pour des pièces de 1, 5, 10, 20 ou 50 centimes. Mais si on introduit des pièces de 25 centimes, un distributeur automatique ne donnerait plus la monnaie d’un euro en pièces de 50, 20, 20 et 10 centimes aussi souvent qu’avant parce que de nouvelles possibilités existeraient.

En mesurant combien de fois les mésons Bs et Bd se désintègrent en muons, les scientifiques espéraient voir pour la première fois un écart par rapport aux prédictions du Modèle standard. Au contraire, les deux expériences ont confirmé cette prédiction, du moins à l’intérieur des marges d’erreur.

CMS, qui signifie Spectromètre Compact pour Muons, et LHCb, une expérience conçue spécifiquement pour étudier les quarks b, sont tout particulièrement désignées pour ce genre de mesures. CMS a obtenu (3,0 +1,0-0,9) x 10-9 et LHCb (2,9 +1,1-1,0) x 10-9 alors que la prédiction du Modèle standard s’établit à (3,5 ±  0,3)  x 10-9. Cela correspond à des mesures à 4,3σ et 4,0σ, donc venant beaucoup plus probablement du signal plutôt que d’une fluctuation du bruit de fond. Deux autres expériences ont présenté de nouveaux résultats mais basés sur de plus petits échantillons de données. ATLAS (données partielles) et D0 (données finales) mesurent toutes les deux la même limite supérieure, soit 15 x 10-9.

Bs-mumu-combo

Les résultats obtenus par LHCb et CMS pour les mésons Bs, ainsi que la prédiction théorique du Modèle standard (ligne verticale en noir) avec la marge d’incertitude théorique (bande verte).

Pour les désintégrations de mésons Bd, les collaborations LHCb et CMS ont toutes les deux pu placer  la limite supérieure à 7,4 x 10-10 pour LHCb et 11 x 10-10 pour CMS avec un indice de confiance de 95%.  La prédiction du Modèle standard se situe à moins de 1 x 10-10.

Tous ces résultats sont en accord avec les prédictions du Modèle standard. Après le redémarrage du LHC à plus haute énergie en 2015, les expériences du LHC raffineront leurs mesures pour les mésons Bs et tenteront d’obtenir une première mesure pour les mésons Bd (et non pas seulement une limite). Eventuellement, elles pourront mesurer le rapport entre les mésons Bs et Bd. Ceci permettra à certaines incertitudes expérimentales et théoriques de s’annuler, ce qui donnera une mesure encore plus précise. Puisqu’aucun écart n’a été décelé à la neuvième décimale, nous devrons aller voir ce qui se passe à la dixième décimale.

Tous les détails se trouvent sur les sites de CMS et LHCb (en anglais seulement).

Pauline Gagnon

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Vieille énigme résolue

Saturday, July 20th, 2013

Ce matin, lors de la conférence de la Société européenne de physique à Stockholm, l’expérience LHCb du Grand collisionneur de hadrons (LHC)

du CERNa présenté un élément de plus pour clore le chapitre sur une étrange situation qui gardait les théoricien-ne-s perplexes depuis une vingtaine d’années.

LHCb a présenté la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie du baryon b. Les baryons sont des particules formées de trois quarks. Par exemple, les protons et les neutrons sont constitués d’une combinaison de quarks u et d. Ce qui rend les baryons b spéciaux, c’est qu’ils contiennent un quark b, un type de quark beaucoup plus lourd. Toutes les particules composites contenant des quarks b comme les mésons B (faits d’un quark b et soit d’un quark u ou d) et les baryons b sont instables, ce qui signifie qu’ils ont une courte durée de vie. Environ une picoseconde après avoir été créés, ils se décomposent en particules plus légères.

En théorie, les mésons B et les baryons b devraient avoir à peu près la même durée de vie. Mais dans les années 1990, quand le CERN fonctionnait avec le précurseur du LHC, l’accélérateur appelé le LEP (Large Electron Positron Collider), toutes les expériences mesuraient une durée de vie systématiquement plus courte pour les baryons b que pour les mésons B comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous. Bien que les marges d’erreurs étaient grandes, la tendance générale vers des valeurs plus basses était d’autant plus surprenante puisque les quatre expériences (ALEPH, DELPHI, OPAL et L3) travaillaient indépendamment.

Lb_lifetime_comparison

Les différentes valeurs mesurées pour la durée de vie des baryons b au fil du temps avec les plus anciennes en bas et les toutes dernières venant du LHC tout en haut. La durée de vie mesurée est maintenant très proche de 1.5 picoseconde soit celle mesurée pour les mésons B.

Cette situation avait incité plusieurs théoricien-ne-s à réexaminer leurs calculs et à chercher un effet négligé qui aurait pu expliquer la différence. Malgré tous leurs efforts, il était pratiquement impossible de réconcilier la durée de vie mesurée pour les baryons b (quelque part entre 1,1 à 1,3 picoseconde) avec celle des mésons B qui était à environ 1,5 picosecondes.

Une décennie plus tard, D0 et CDF, deux expériences d’un autre accélérateur, le Tevatron près de Chicago, ont commencé à combler l’écart. Mais il a fallu attendre une autre décennie pour que les expériences du LHC démontrent qu’en fait, il n’y a pas grand différence entre la durée de vie des baryons b et celle des mésons B.

Plus tôt cette année, ATLAS et CMS avaient toutes les deux mesuré des valeurs plus en accord avec la durée de vie des mésons B. Avec ce dernier résultat de haute précision de l’expérience LHCb, il y a maintenant suffisamment d’évidence pour clore l’affaire après une vingtaine d’années de questionnement. LHCb a mesuré la durée de vie du baryon b à 1,482 ± 0,018 ± 0,012 picoseconde. Le rapport à la durée de vie des mésons B est de 0,976 ± 0,012 ± 0,006, une valeur très proche de un, tel que prévu théoriquement.

Une explication possible serait que toutes les expériences du LEP étaient affectées par une erreur systématique commune mais toujours inconnue. Ou simplement une fluctuation statistique (i.e. malchance !). La cause exacte ne sera peut être jamais identifiée, mais au moins, le problème est résolu. C’est une grande réussite pour les théoricien-ne-s qui savent désormais que leurs calculs étaient justes, et ce depuis le début.

Pauline Gagnon

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