• John
  • Felde
  • University of Maryland
  • USA

Latest Posts

  • USLHC
  • USLHC
  • USA

  • James
  • Doherty
  • Open University
  • United Kingdom

Latest Posts

  • Andrea
  • Signori
  • Nikhef
  • Netherlands

Latest Posts

  • CERN
  • Geneva
  • Switzerland

Latest Posts

  • Aidan
  • Randle-Conde
  • Université Libre de Bruxelles
  • Belgium

Latest Posts

  • TRIUMF
  • Vancouver, BC
  • Canada

Latest Posts

  • Laura
  • Gladstone
  • MIT
  • USA

Latest Posts

  • Steven
  • Goldfarb
  • University of Michigan

Latest Posts

  • Fermilab
  • Batavia, IL
  • USA

Latest Posts

  • Seth
  • Zenz
  • Imperial College London
  • UK

Latest Posts

  • Nhan
  • Tran
  • Fermilab
  • USA

Latest Posts

  • Alex
  • Millar
  • University of Melbourne
  • Australia

Latest Posts

  • Ken
  • Bloom
  • USLHC
  • USA

Latest Posts

Pauline Gagnon | |

Read Bio

A peine une brise, mais elle secoue le monde entier

Thursday, February 11th, 2016

Aujourd’hui, les scientifiques du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ou LIGO ont fièrement annoncé avoir détecté les toutes premières ondes gravitationnelles. Décrites il y a exactement cent ans dans la Théorie de la Relativité Générale par Albert Einstein, ces ondes, qu’on a longtemps crues être beaucoup trop faibles pour être captées, ont enfin été détectées.

En 1916, Einstein décrit la gravitation comme une déformation de l’espace et du temps, comme si l’espace n’était qu’un tissu qui s’étire en présence d’objets massifs. Un espace vide serait semblable à un drap tendu. Un objet se déplaçant dans cet espace, comme par exemple une balle de ping-pong, suivrait simplement la surface du drap. Laissez tomber un objet lourd sur ce drap et le tissu sera déformé. La balle de ping-pong ne roulera plus en ligne droite, mais suivra naturellement la courbe de l’espace déformé.

En tombant sur le drap, l’objet lourd créera de petites ondulations qui se propageront autour de lui, comme des vaguelettes à la surface de l’eau. De même, le Big Bang ou une collision entre deux trous noirs peut aussi créer des ondulations qui atteindraient éventuellement la Terre.

C’est ce type d’ondulations que LIGO a enfin détectées, comme l’explique cette excellente vidéo (mais en anglais). Les scientifiques de LIGO ont utilisé un interféromètre, un appareil muni de deux branches identiques tel qu’indiqué sur l’image ci-dessous. Un laser (en bas à gauche) émet un faisceau de lumière qui vient frapper un morceau de verre (au centre). La moitié du faisceau est réfléchie, l’autre poursuit son chemin. Les deux faisceaux parcourent exactement la même distance (4 km) avant d’être réfléchis par un miroir.

LIGO-1

Un faisceau de lumière, telle une vague à la surface de l’eau, possède des crêtes et des creux. Au retour, les deux faisceaux se chevauchent à nouveau, mais la longueur des branches est telle que la position des crêtes du premier faisceau est décalée par rapport à celle de l’autre, de telle sorte qu’ils se neutralisent. Par conséquent, un détecteur situé à droite ne décèlerait aucune lumière.

LIGO-2

Imaginez maintenant qu’une vague gravitationnelle, produite par exemple par une collision entre deux trous noirs, se propage à travers l’interféromètre. Le « tissus » de l’espace serait étiré puis comprimé sous le passage de cette onde. La longueur des branches de l’interféromètre serait modifiée, décalant ainsi les crêtes et les creux. Les deux faisceaux ne s’annuleraient plus. Un détecteur détecterait une lumière oscillante durant le passage d’une onde gravitationnelle à travers l’appareil.

Le défi de cette expérience consiste à éliminer toutes sources de vibrations, qu’elles proviennent des vagues de l’océan, d’un tremblement de terre, ou même du trafic car elles produiraient des effets semblables. Les faisceaux laser voyagent donc dans des tuyaux à vide et les miroirs sont montés sur des ressorts et suspendus à de fins fils. On amortit ainsi les vibrations externes par un facteur de 10 milliards.

Pour s’assurer qu’un signal provient réellement d’une onde gravitationnelle et non pas d’une autre perturbation, LIGO utilisent deux interféromètres identiques et distants de plus de 3000 km. L’un se trouve en Louisiane, l’autre dans l’état de Washington.

Et voici ce signal, produit lors de la fusion de deux trous noirs d’environ 50 km mais trente fois plus massifs que le soleil. Cette collision a généré une onde gravitationnelle qui s’est propagé pendant un milliard d’années avant d’atteindre la Terre le 14 septembre dernier. L’onde a modifié la longueur des branches de l’interféromètre de 4 km d’à peine un millième de la taille d’un proton. Une petite oscillation durant seulement 20 millisecondes, accélérant rapidement puis disparaissant, exactement tel que prédit par les équations de la relativité générale.

Ligo-3

Donc quand les deux instruments ont détecté simultanément ce signal, leur coïncidence n’a laissé aucun doute. Il ne pouvait s’agir que d’ondes gravitationnelles. LIGO n’a détecté que la partie classique de ces ondes. On ne sait toujours pas si les ondes gravitationnelles sont quantifiées ou pas, et si elles s’accompagnent d’une particule appelée le graviton.

Pendant des siècles, les astronomes ont utilisé des ondes électromagnétiques comme la lumière pour explorer l’Univers. Les ondes gravitationnelles fourniront un nouvel outil pour pousser l’exploration de l’Univers encore plus loin. Ce que ces ondes nous apprendrons vaudra bien d’avoir attendu cent longues années pour les découvrir.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels».

Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution.

LIGO-4

L’interféromètre de LIGO sur le site de Hanford dans l’état de Washington avec ses branches de 4 km de longueur. ©NASA

Share

A faint ripple shakes the World

Thursday, February 11th, 2016

Today, scientists from the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory or LIGO have proudly announced having detected the first faint ripples caused by gravitational waves. First predicted exactly one hundred years ago by Albert Einstein in the Theory of General Relativity, these gravitational waves, long believed to be too small to be seen, have at long last been detected.

In 1916, Einstein explained that gravitation is a distortion of space and time, as if it was a fabric that could be distorted by the presence of massive objects. An empty space would be like a taut sheet. Any object, like a ping-pong ball travelling in that space, would simply follow the surface of the sheet. Drop a heavy object on the sheet, and the fabric will be distorted. The ping-pong ball would no longer roll along a straight line but would naturally follow the curve of the distorted space.

A heavy object falling on that sheet would generate small ripples around it. Likewise, the Big Bang or collisions between black holes would also create ripples that would eventually reach the Earth.

These were the small disturbances LIGO was set to find. As explained in this excellent video, the scientists used an interferometer, that is, an apparatus with two identical arms as shown below. A laser (bottom left corner) emits a beam of light that hits a piece of glass (center). Half of the beam is reflected, half of it keeps going on. The two beams travel exactly the same distance (4 km), hit a mirror and bounce back.

LIGO-1

A light beam is a wave, and just like waves at the surface of water, it has crests and troughs. The arms length is such that when the beams return and overlap again, the two sets of waves are shifted with respect to each other, such that they cancel each other out. Hence, a detector placed at the bottom right corner would see no light at all.LIGO-2

Now imagine that a gravitational wave, produced by the collisions of two black holes for example, sweeps across the interferometer. The fabric of space would be stretched then compressed as the wave passes through. And so the length of the arms would change, shifting the pattern of crests and troughs. The two beams would no longer cancel each other. A light-sensitive detector would now detect some light that would pulsate as the gravitational wave sweeps across the apparatus.

The challenge is that any vibration caused by waves crashing on the shore, earthquakes, or even heavy traffic would disturb such an experiment by producing similar effects. So the laser beams travel in vacuum and the mirrors are mounted on shock-absorbing springs and suspended on fine wires to dampen any vibration by a factor of 10 billion.

To ensure a signal really comes from a gravitational wave and not from some other disturbance, LIGO used two identical laboratories located more than 3000 km apart in the USA, one in Louisiana, one in Washington State.

And here is the signal generated when two black holes, 50 km in diameter but 30 times more massive than the Sun, merged. This collision sent a gravitational wave that traveled for about a billion year before reaching the Earth on 14 September 2015. This wave changed the length of the 4-km arms by one thousandth of the size of a proton. A tiny ripple that lasted a mere 20 milliseconds, accelerating quickly before disappearing, exactly as General Relativity predicted.

Ligo-3

So when both instruments detected the same signal, the coincidence between the two left no doubt. It really was from gravitational waves. So far, the LIGO experiment only detected the classical part of these waves. We still do not know if gravitational waves are quantized or not, that is, if they come with a particle called the graviton.

For centuries, astronomers have used electromagnetic waves such as light to explore the Universe. Gravitational waves will provide a new tool to study it even further. Other experiments such as BICEP2 are already looking for the ripples left over from the Big Bang. What we will learn from these waves will be well worth the hundred-year long wait from their prediction to their discovery.

Pauline Gagnon

To learn more on particle physics, don’t miss my book, out this July.

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification.

 LIGO-4

The LIGO interferometer in Hanford, Washington State, USA, with its 4km-long arms. ©NASA

Share

Frénésie du côté de la théorie

Thursday, February 4th, 2016

Depuis le 15 décembre, j’ai compté 200 nouveaux articles théoriques, chacun offrant une ou plusieurs explications possibles sur la nature d’une nouvelle particule qui n’a pas encore été découverte. Cette frénésie a commencé lorsque les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux rapporté avoir trouvé quelques événements qui pourraient révéler la présence d’une nouvelle particule se désintégrant en deux photons. Sa masse serait autour de 750 GeV, soit cinq fois la celle du Higgs boson.

Personne ne sait si un tel engouement est justifié mais cela illustre combien les physiciens et physiciennes espèrent une découverte majeure dans les années à venir. Est-ce que cela se passera comme pour le boson de Higgs, qui fut officiellement découvert en juillet 2012, bien que quelques signes avant-coureurs apparurent un an auparavant ? Il est encore bien trop tôt pour le dire. Et comme je l’avais écrit en juillet 2011, c’est comme si nous essayions de deviner si le train s’en vient en scrutant l’horizon par une morne journée d’hiver. Seule un peu de patience nous dira si la forme indistincte à peine visible au loin est bien le train longuement attendu ou juste une illusion. Il faudra plus de données pour pouvoir trancher, mais en attendant, tout le monde garde les yeux rivés sur cet endroit.
LeTrainDeMidiLe train de midi, Jean-Paul Lemieux, Galerie nationale du Canada

En raison des difficultés inhérentes à la reprise du LHC à plus haute énergie, la quantité de données récoltées à 13 TeV en 2015 par ATLAS et CMS a été très limitée. De tels petits échantillons de données sont toujours sujets à de larges fluctuations statistiques et l’effet observé pourrait bien s’évaporer avec plus de données. C’est pourquoi les deux expériences se sont montrées si réservées lors de la présentation de ces résultats, déclarant clairement qu’il était bien trop tôt pour sauter au plafond.

Mais les théoriciens et théoriciennes, qui cherchent en vain depuis des décennies un signe quelconque de phénomènes nouveaux, ont sauté sur l’occasion. En un seul mois, y compris la période des fêtes de fin d’année”, 170 articles théoriques avaient déjà été publiés pour suggérer autant d’interprétations différentes possibles pour cette nouvelle particule, même si on ne l’a pas encore découverte.

Aucune nouvelle donnée ne viendra avant quelques mois en raison du de la maintenance annuelle. Le Grand Collisionneur de Hadrons repartira le 21 mars et devrait livrer les premières collisions aux expériences le 18 avril. On espère un échantillon de données de 30 fb-1 en 2016, alors qu’en 2015 seuls 4 fb-1 furent produits. Lorsque ces nouvelles données seront disponibles cet été, nous saurons alors si cette nouvelle particule existe ou pas.

Une telle possibilité serait une véritable révolution. Le modèle théorique actuel de la physique des particules, le Modèle Standard, n’en prévoit aucune. Toutes les particules prédites par le modèle ont déjà été trouvées. Mais puisque ce modèle laisse encore plusieurs questions sans réponses, les théoriciennes et théoriciens sont convaincus qu’il doit exister une théorie plus vaste pour expliquer les quelques anomalies observées. La découverte d’une nouvelle particule ou la mesure d’une valeur différente de celle prévue par la théorie révèleraient enfin la nature de cette nouvelle physique allant au-delà du Modèle Standard.

Personne ne connaît encore quelle forme cette nouvelle physique prendra. Voilà pourquoi tant d’explications théoriques différentes pour cette nouvelle particule ont été proposées. J’ai compilé certaines d’entre elles dans le tableau ci-dessous. Plusieurs de ces articles décrivent simplement les propriétés requises par un nouveau boson pour reproduire les données observées. Les solutions proposées sont incroyablement diversifiées, les plus récurrents étant diverses versions de modèles de matière sombre ou supersymétriques, de Vallée Cachée, de Grande Théorie Unifiée, de bosons de Higgs supplémentaire ou composites, ou encore des dimensions cachées. Il y en a pour tous les goûts : des axizillas au dilatons, en passant pas les cousins de pions sombres, les technipions et la trinification.

La situation est donc tout ce qu’il y a de plus clair : tout est possible, y compris rien du tout. Mais n’oublions pas qu’à chaque fois qu’un accélérateur est monté en énergie, on a eu droit à de nouvelles découvertes. L’été pourrait donc être très chaud.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels».

Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution.

tableau

Un résumé partiel du nombre d’articles publiés jusqu’à maintenant et le type de solutions proposées pour expliquer la nature de la nouvelle particule, si nouvelle particule il y a. Pratiquement tous les modèles théoriques connus peuvent être adaptés pour accommoder une nouvelle particule compatible avec les quelques événements observés. Ce tableau est juste indicatif et en aucun cas, strictement exact puisque plusieurs articles étaient plutôt difficiles à classer. Une de ces idées s’avèrera-t-elle être juste ?

Share

Frenzy among theorists

Thursday, February 4th, 2016

Since December 15, I have counted 200 new theoretical papers, each one suggesting one or several possible explanations for a new particle not yet discovered. This flurry of activity started when the CMS and ATLAS Collaborations both reported having found a few events that could possibly reveal the presence of a new particle decaying to two photons. Its mass would be around 750 GeV, that is, five times the mass of the Higgs boson.

No one knows yet if all this excitement is granted but it clearly illustrates how much physicists are hoping for a huge discovery in the coming years. Will it be like with the Higgs boson, which was officially discovered in July 2012 but had already given some faint signs of its presence a year earlier? Right now, there is not enough data. And just as I wrote in July 2011, it is as if we were trying to guess if the train is coming by looking in the far distance on a grey winter day. Only time will tell if the indistinct shape barely visible above the horizon is the long awaited train or just an illusion. But until more data become available, everybody will keep their eyes on that spot.

LeTrainDeMidi

The noon train, Jean-Paul Lemieux, National Gallery of Canada

Due to the difficulties inherent to the restart of the LHC at higher energy, the amount of data collected at 13 TeV in 2015 by ATLAS and CMS was very limited. Given that small data samples are always prone to large statistical fluctuations, the experimentalists exerted much caution when they presented these results, clearly stating that any claim was premature.

But theorists, who have been craving for signs of something new for decades, jumped on it. Within a single month, including the end-of-the-year holiday period, 170 theoretical papers were published to suggest just as many possible different interpretations for this yet undiscovered new particle.

No new data will come for a few more months due to annual maintenance. The Large Hadron Collider is due to restart on March 21 and should deliver the first collisions to the experiments around April 18. The hope is to collect a data sample of 30 fb-1 in 2016, to be compared with about 4 fb-1 in 2015. Later this summer, when more data will be available, we will know if this new particle exists or not.

This possibility is however extremely exciting since the Standard Model of particle physics is now complete. All expected particles have been found. But since this model leaves many open questions, theorists are convinced that there ought to be a more encompassing theory. Hence, discovering a new particle or measuring anything with a value different from its predicted value would reveal at long last what the new physics beyond the Standard Model could be.

No one knows yet what form this new physics will take. This is why so many different theoretical explanations have been proposed for this possible new particle. I have compiled some of them in the table below. Many of these papers described the properties needed by a new boson to fit the actual data. The solutions proposed are incredibly diversified, the most recurrent ones being various versions of dark matter or supersymmetric, new gauge symmetries, Hidden Valley, Grand Unified Theory, extra or composite Higgs bosons and extra dimensions. There enough to suit every taste: axizillas, dilatons, dark pion cousins of a G-parity odd WIMP, one-family walking technipion or trinification.

It is therefore crystal clear: it could be anything or nothing at all… But every time accelerators have gone up in energy, new discoveries have been made. So we could be in for a hot summer.

Pauline Gagnon

Learn more on particle physics, don’t miss my book, which will come out in English in July.

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification.

table

A partial summary of the number of papers published so far with the type of solutions they proposed to explain the nature of the new particle, if new particle there is. Just about all known theoretical models can be adapted to produce a new particle with characteristics compatible with the few events observed. This is just indicative and by no means, strictly exact since many proposals were rather hard to categorize. Will one of these ideas be the right one?

Share

Si, et vraiment seulement si…

Wednesday, December 16th, 2015

Si le LHC était une échelle et les nouvelles particules tant recherchées, des boîtes cachées sur les étagères les plus hautes, la montée en énergie du LHC s’apparente à l’acquisition d’une échelle plus longue donnant accès aux dernières étagères. Fin 2012, les échelles étaient plus courtes, mais on en avait dix fois plus, facilitant l’exploration des étagères à notre portée. ATLAS et CMS viennent de jeter leur premier coup d’œil à un endroit jamais exploré auparavant mais auront besoin de plus de données pour les inspecter en profondeur.

Le 15 décembre, lors du séminaire de fin d’année, les expériences CMS et ATLAS du CERN ont présenté leurs premiers résultats basés sur les toutes nouvelles données accumulées en 2015 depuis la reprise du Grand collisionneur de hadrons (LHC) à 13 TeV, l’énergie d’exploitation la plus haute jamais atteinte. Bien que la quantité de données ne soit que le dixième de ce qu’elle était à plus basse énergie (soit 4 fb-1 pour ATLAS et 2,8-1 fb pour CMS pour les données recueillies à 13 TeV comparés à 25 fb-1 à 8 TeV pour chaque expérience), cette augmentation en énergie met désormais des particules hypothétiques plus massives à la portée des expériences.

Les deux expériences ont d’abord démontré comment leurs détecteurs se sont comportés après plusieurs améliorations majeures, y compris l’acquisition des données à deux fois le taux utilisé en 2012. Les deux groupes ont contrôlé sous toutes les coutures comment les particules déjà connues se comportent à plus haute énergie, sans trouver d’anomalies. Mais c’est dans la recherche de particules nouvelles et plus lourdes que tous les espoirs sont permis. Les deux groupes ont exploré des douzaines de possibilités différentes, triant des milliards d’événements.

Chaque événement est un cliché de ce qui s’est produit lorsque deux protons entrent en collision dans le LHC. L’énergie dégagée par la collision se matérialise sous forme de particules lourdes et instables qui se désintègrent aussitôt, provoquant de mini feux d’artifice. En attrapant, identifiant et regroupant toutes les particules qui s’échappent du point de collision, on peut reconstruire les particules originales qui ont été produites.

Les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux trouvé de petits excès en sélectionnant les événements contenant deux photons. Dans plusieurs de ces événements, les deux photons semblent venir de la désintégration d’une particule ayant une masse d’environ 750 GeV, soit 750 fois plus lourde qu’un proton ou 6 fois la masse d’un boson de Higgs. Puisque les deux expériences ont regardé une multitude de combinaisons différentes, en vérifiant à chaque fois des douzaines de valeurs de masse pour chaque combinaison, on s’attend toujours à trouver de telles fluctuations statistiques.

ATLAS-diphotonPartie supérieure : la masse combinée exprimée en GeV pour toutes les paires de photons trouvées dans les données récoltées à 13 TeV par ATLAS. Le trait rouge montre à quoi on s’attend venant de sources aléatoires (communément appelé bruit de fond). Les points noirs correspondent aux données et les lignes, les erreurs expérimentales. La petite bosse à 750 GeV est ce qui est maintenant intrigant. La partie du bas montre la différence entre des points noirs (les données) et la courbe rouge (le bruit de fond), montrant clairement un petit excès de 3,6σ ou 3,6 fois l’erreur expérimentale. Quand on prend en compte toutes les fluctuations possibles à toutes les valeurs de masse considérées, l’excès n’est plus que de 2,0σ.

Ce qui est intrigant, c’est que les deux équipes ont trouvé la même chose à exactement au même endroit, sans s’être consulté et en utilisant des techniques de sélection conçues pour ne pas biaiser les données. Néanmoins, les deux groupes expérimentaux sont extrêmement prudents, déclarant qu’une fluctuation statistique est toujours possible jusqu’à ce que plus de données soient disponibles pour tout vérifier avec une précision accrue.
CMS-combined-p0CMS a légèrement moins de données qu’ATLAS à 13 TeV et par conséquent, décèle un effet beaucoup plus petit. Dans leurs seules données prises à 13 TeV, l’excès à 760 GeV est de 2,6σ, 3,0σ lorsque combiné avec les données de 8 TeV. Mais au lieu de juste évaluer cette probabilité localement, les physiciens et physiciennes préfèrent prendre en compte les fluctuations pour toutes les valeurs de masse considérées. La probabilité n’est alors que de 1,2σ, pas de quoi fouetter un chat. C’est “l’effet de regarder ailleurs” : il prend en compte qu’on finit toujours par trouver une fluctuation quelque part quand on regarde dans tant d’endroits.

Les théoriciens et théoriciennes se retiennent beaucoup moins. Depuis des décennies, on sait que le Modèle standard, le modèle théorique actuel de la physique des particules, n’explique pas tout, sans pouvoir progresser. Tout le monde espère donc qu’un indice viendra des données expérimentales pour aller de l’avant. Beaucoup ont dû travailler dur toute la nuit car huit nouveaux articles sont apparus dès ce matin, proposant des explications variées sur la nature possible de la nouvelle particule, si particule nouvelle il y a. Quelques personnes pensent que cela pourrait être une particule liée à la matière sombre, d’autres penchent pour un autre type de boson de Higgs tel que prédit par la Supersymétrie ou même y voient les premiers signes de nouvelles dimensions. D’autres proposent qu’un tel effet ne pourrait se produire que si cette particule s’accompagne d’une deuxième particule plus lourde. Tout le monde suggère quelque chose au-delà du Modèle standard.

Deux choses sont certaines : tout d’abord, le nombre d’articles théoriques dans les prochaines semaines va exploser. Et deuxièmement, on ne pourra pas dire si il y a nouvelle particule sans plus de données. Avec un peu de chance, nous pourrions en savoir plus dès l’été prochain lorsque le LHC aura produit plus de données. D’ici là, tout cela n’est que pure spéculation.

Ceci étant dit, il ne faut toutefois pas oublier que le boson de Higgs a fait son apparition de façon très semblable. Les premiers signes de son existence étaient déjà visibles en juillet 2011. Avec plus de données, ces signes s’étaient renforcés en décembre 2011 à un autre séminaire de fin d’année mais sa découverte n’a pu être établie que lorsque encore plus de données eurent été recueillies et analysées en juillet 2012. Ouvrir ses cadeaux avant Noël n’est jamais une bonne idée.

Passez de bonnes Fêtes, Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels». Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution.

Share

If, and really only if…

Wednesday, December 16th, 2015

If the LHC were a ladder and the new sought-after particles, boxes hidden on the top shelves, operating the LHC at higher energy is like having a longer ladder giving us access to the higher shelves. By the end of 2012, our ladders were shorter but we had 10 times more than now. ATLAS and CMS just had their first glimpse at a place never reached before but more data is still needed to explore this space thoroughly.

On December 15, at the End-of-the-Year seminar, the CMS and ATLAS experiments from CERN presented their first results using the brand new data accumulated in 2015 since the restart of the Large Hadron Collider (LHC) at 13 TeV, the highest operating energy so far. Although the size of the data sample is still only one tenth of what was available at lower energy (namely 4 fb-1 for ATLAS and 2.8-1 fb for CMS collected at 13 TeV compared to 25 fb-1 at 8 TeV for each experiment), it has put hypothetical massive particles within reach.

Both experiments showed how well their detectors performed after several major improvements, including collecting data at twice the rate used in 2012. The two groups made several checks on how known particles behave at higher energy, finding no anomalies. But it is in searches for new, heavier particles that every one hopes to see something exciting. Both groups explored dozens of different possibilities, sifting through billions of events.

Each event is a snapshot of what happens when two protons collide in the LHC. The energy released by the collision materializes into some heavy and unstable particle that breaks apart mere instants later, giving rise to a mini firework. By catching, identifying and regrouping all particles that fly apart from the collision point, one can reconstruct the original particles that were produced.

Both CMS and ATLAS found small excesses when selecting events containing two photons. In several events, the two photons seem to come from the decay of a particle having a mass around 750 GeV, that is, 750 times heavier than a proton or 6 times the mass of a Higgs boson. Since the two experiments looked at dozens of different combinations, checking dozens of mass values for each combination, such small statistical fluctuations are always expected.

ATLAS-diphoton

Top part: the combined mass given in units of GeV for all pairs of photons found in the 13 TeV data by ATLAS. The red curve shows what is expected from random sources (i.e. the background). The black dots correspond to data and the lines, the experimental errors. The small bump at 750 GeV is what is now intriguing. The bottom plot shows the difference between black dots (data) and red curve (background), clearly showing a small excess of 3.6σ or 3.6 times the experimental error. When one takes into account all possible fluctuations at all mass values, the significance is only 2.0σ

What’s intriguing here is that both groups found the same thing at exactly the same place, without having consulted each other and using selection techniques designed not to bias the data. Nevertheless, both experimental groups are extremely cautious, stating that a statistical fluctuation is always possible until more data is available to check this with increased accuracy.

CMS-combined-p0CMS has slightly less data than ATLAS at 13 TeV and hence, sees a much smaller effect. In their 13 TeV data alone, the excess at 760 GeV is about 2.6σ, 3σ when combined with the 8 TeV data. But instead of just evaluating this probability alone, experimentalists prefer take into account the fluctuations in all mass bins considered. Then the significance is only 1.2σ, nothing to write home about. This “look-elsewhere effect” takes into account that one is bound to see a fluctuation somewhere when ones look in so many places.

Theorists show less restrain. For decades, they have known that the Standard Model, the current theoretical model of particle physics, is flawed and have been looking for a clue from experimental data to go further. Many of them have been hard at work all night and eight new papers appeared this morning, proposing different explanations on which new particle could be there, if something ever proves to be there. Some think it could be a particle related to Dark Matter, others think it could be another type of Higgs boson predicted by Supersymmetry or even signs of extra dimensions. Others offer that it could only come from a second and heavier particle. All suggest something beyond the Standard Model.

Two things are sure: the number of theoretical papers in the coming weeks will explode. But establishing the discovery of a new particle will require more data. With some luck, we could know more by next Summer after the LHC delivers more data. Until then, it remains pure speculation.

This being said, let’s not forget that the Higgs boson made its entry in a similar fashion. The first signs of its existence appeared in July 2011. With more data, they became clearer in December 2011 at a similar End-of-the-Year seminar. But it was only once enough data had been collected and analysed in July 2012 that its discovery made no doubt. Opening one’s gifts before Christmas is never a good idea.

Have a good Holiday Season, Pauline Gagnon

To learn more about particle physics and what might be discovered at the LHC, don’t miss my upcoming book : « Who cares about particle physics : Making sense of the Higgs boson, Large Hadron Collider and CERN ». To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification.

Share

Une longue histoire de harcèlement sexuel

Wednesday, October 14th, 2015

marcy

Quel soulagement d’apprendre la semaine dernière que le prix Nobel de Physique 2015 récompensait la découverte des oscillations de neutrinos et non pas celle d’exoplanètes, des planètes à l’extérieur du système solaire. Non pas que cette découverte ne le mérite pas, bien au contraire, mais parce que plusieurs pressentaient que Geoff Marcy pourrait recevoir ce prix avec Michel Mayor et Didier Queloz.

Geoff Marcy, professeur à l’Université de Californie à Berkeley, fait les manchettes des journaux depuis une semaine non pas en raison de sa notoriété en tant qu’astronome mais bien parce qu’une enquête interne conduite par l’Université l’a trouvé coupable de harcèlement sexuel envers plusieurs de ses étudiantes à Berkeley entre 2001 et 2010 suite à une plainte déposée par quatre de ses anciennes étudiantes. Mais ce qui ressort en ce moment n’est que la pointe de l’iceberg, car son comportement déplacé remonte à une trentaine d’années, alors qu’il enseignait à San Francisco State University.

C’est là que je l’ai connu en 1985 alors que j’étais étudiante à la maîtrise et chargée de cours au département de Physique et d’Astronomie. Déjà, à cette époque, il était bien connu pour entretenir des relations avec plusieurs de ses étudiantes. Mais à mon avis, ce n’est pas le seul manque au chapitre de la déontologie dont Marcy peut s’enorgueillir.

En 1987, sa collègue dans la recherche d’exoplanètes s’est rendu compte qu’il lui avait remis une copie modifiée de leur demande de subvention conjointe. Sur sa copie à elle, leur deux noms apparaissaient: lui était investigateur principal et elle, sa co-investigatrice.  Mais la copie officielle de Marcy, celle qu’il avait soumis à l’agence de financement, ne portait que son nom à lui.

Elle dénonça ce subterfuge au directeur du département, qui la congédia sur le champ. Marcy était le plus prometteur de son département. Elle logea alors une plainte formelle pour inconduite professionnelle contre Geoff Marcy. Mais elle ne pu retrouver son emploi et quitta le domaine de l’astronomie. Dans la foulée de ces évènements, quelques personnes tentèrent d’attirer l’attention de la direction de SFSU sur le comportement inapproprié de Geoff Marcy auprès de ses étudiantes.

Le Code de Conduite de l’époque interdisait formellement aux professeurs d’entretenir des relations intimes avec leurs étudiantes. Nous n’avons malheureusement pu convaincre aucune de ces femmes de porter plainte contre Marcy. L’une d’elle me confia plusieurs mois plus tard qu’à l’époque, elle sortait avec Marcy et pensait que j’étais folle de vouloir porter plainte. Mais avec du recul, une fois la relation terminée, elle avait compris comment elle s’était fait avoir. A ma connaissance, Marcy fut simplement avisé par l’Université que son comportement enfreignait le Code de Conduite et qu’il devait cesser. Mais c’est malheureusement encore la solution retenue par l’Université de Berkeley même si Marcy a été trouvé coupable de harcèlement sexuel, et même si 22 de ses collègues réclament sa démission.

Cette situation dépasse pourtant de beaucoup les propos tenu par le Professeur Tim Hunt. Ce biologiste, médaillé Nobel, avait affirmé qu’il était difficile de travailler en laboratoire avec des femmes car elles pleuraient tout le temps.

Combien de femmes ont quitté les sciences à cause de Geoff Marcy ou un de ses semblables? Je me réjouis donc de voir que plusieurs astronomes (Katie Mack, Ruth Murray-Kay, John Johnson) osent dénoncer Marcy. Je me réjouis aussi de voir que malgré tout, plusieurs des victimes de Geoff Marcy, parmi celles qui ont osé parler et d’autres, sont désormais des astronomes réputées, loin de son emprise. Au lendemain de la journée Ada Lovelace, où on célèbrait les accomplissements des femmes en sciences, je salue la résilience et la détermination de ces femmes.

Pauline Gagnon

Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution. Vous pouvez aussi visiter mon site web.

Share

A long history of sexual harassment

Wednesday, October 14th, 2015
marcy

What a relief it was for me to hear last week that the Nobel Prize in Physics 2015 rewarded the discovery of neutrino oscillations and not exoplanets – planets outside the Solar system. Not that the discovery of exoplanets does not deserve it, on the contrary. But many people anticipated that Geoff Marcy could share the prize with Michel Mayor and Didier Queloz.

Geoff Marcy, an astronomy professor at the University of California Berkeley, makes the headlines right now not because of his fame as an astronomer but rather because an internal University investigation found him guilty of sexual harassment against several of his female students at Berkeley between 2001 and 2010 after four of his former students filed a complaint. But I suspect that what has come out so far is only the tip of the iceberg. His inappropriate behaviour goes back a good thirty years, when he was teaching at San Francisco State University.

This is where I met him in 1985 when we both worked in the Physics and Astronomy Department while I was a Master’s student and a lecturer. It was well known that he had intimate relationships with several of his female students. But it is not the only aspect where I felt Marcy’s ethics were questionable.

In 1987, Marcy’s colleague in the search for exoplanets realized that he had handed her a revised copy of their joint grant proposal. On the copy Marcy had given her, both their names appeared, his as main investigator and hers, as co-investigator. But Marcy’s official copy, the one he had submitted to the funding agency, bore only his name.

She reported this to the department head, who fired her on the spot. Marcy was the rising star of his department. She then filed a formal complaint for professional misconduct against Marcy. But she was unable to recover her position and she left the field of astronomy. Following these events, a few people tried to draw the University’s attention to Geoff Marcy’s inappropriate behaviour with his female students.

The Code of Conduct at the time strictly forbade professors to engage in intimate relationships with their students. We were unfortunately unable to convince some of the women to lodge a complaint against him. One woman told me several months later that at the time, she was dating Marcy and thought that I was crazy to want to file a complaint. But with hindsight, once the relationship had ended, she understood how she had been had. To my knowledge, Marcy was simply notified by the University that his behaviour violated the Code of Conduct and that it had to stop. Unfortunately, this is again the option chosen by UC Berkeley, even though he was found guilty of sexual harassment and even though 22 of his colleagues are now asking for his dismissal.

This situation is far in excess of the comments made by Professor Tim Hunt who had to resign from University College London. This biologist, a Nobel laureate, had asserted that it was difficult to work in a laboratory with women because they cried all the time.

How many women left science because of Geoff Marcy and the like? I am so delighted to see many astronomers (Katie Mack, Ruth Murray-Kay, John Johnson) dared to denounce him. I am also pleased to see that despite the abuse they sustained, several of Geoff Marcy’s victims, some who dared speak up, some who feared to, are now well-established astronomers far from his influence. Yesterday was Ada Lovelace Day, a time to celebrate the accomplishments of women in science. It’s a great opportunity to salute the resilience and determination of these women.

Pauline Gagnon

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification. You can also visit my website.

Share

Trois mots pour résumer une conférence

Wednesday, July 29th, 2015

Impressionnant, excitant et plein de nouvelles perspectives. Cela résume mon impression alors que se termine aujourd’hui la conférence de physique des particules de la Société européenne de physique (EPS) à Vienne.

Nous avons été exposés à une quantité impressionnante de nouvelles données. Non seulement les expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont finalisé la plupart de leurs analyses sur l’ensemble des données recueillies avant l’arrêt début 2013, mais elles ont aussi déjà commencé à analyser les nouvelles données. Ceci confirme que tout, des détecteurs aux logiciels de reconstruction, fonctionne parfaitement après le vaste programme d’améliorations et de réparations.

conference-dinner

Souper de clôture de la conférence au magnifique palais Schönbrunn à Vienne (Photo: Gertrud Konrad)

Tous les outils nécessaires aux analyses de physique – simulations, systèmes d’acquisition de données, trigger, calibrations et algorithmes d’analyse – produisent déjà des résultats de haute qualité avec les données des collisions à une énergie de 13 TeV. Les expériences sont clairement en mesure de reprendre les analyses là où elles les avaient laissées avec les données collectées à 8 TeV. Bien sûr, il n’y a encore aucuns signes de nouveaux phénomènes mais les expériences LHCb, CMS et ATLAS ont toutes de petites anomalies qui devraient être élucidées avec les nouvelles données du LHC.

Durant cette conférence, on a pu apprécié aussi la variété des expériences en place et les nouveaux résultats qui commencent déjà à arriver sur la matière sombre et l’énergie sombre. De nouvelles avenues sont aussi explorées pour élargir les recherches dans l’espoir de découvrir les 95 % du contenu de l’Univers qui manquent toujours à l’appel. Les expériences ont fait des pas de géants et on s’attend à des percées majeures d’ici à peine quelques années. On peut aussi espérer des développements dans le secteur des neutrinos, un domaine de recherche prolifique mais aussi un des plus déconcertants et embrouillants depuis de nombreuses années.

Comme l’a souligné Pierre Binetruy, un théoricien travaillant en cosmologie : « Les découvertes simultanées du boson de Higgs et la confirmation de quelques unes des caractéristiques de l’inflation (la période marquée par une expansion fulgurante juste après le Big Bang) a ouvert une nouvelle ère dans la compréhension commune de la cosmologie et de la physique des particules ». Nous sommes clairement à la veille de percées majeures et de nouvelles découvertes dans plusieurs domaines. La prochaine conférence sera sans aucun doute un événement à ne pas manquer.

Pauline Gagnon

Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution ou consultez mon site web.

Share

Three words to summarize a conference

Wednesday, July 29th, 2015

Impressive, exciting and eye-opening. This is how I would summarize the European Physics Society (EPS) particle physics conference that is ending today in Vienna.

The participants were treated to an impressive amount of new data. Not only had the Large Hadron Collider (LHC) experiments at CERN finalised most of their analyses on the entire set of data collected prior to the long shutdown of the last two years, but they had also already started analysing the new data. This confirms that everything, from hardware to software, is up and running after extensive upgrades, repairs and improvements.

All the tools for physics analysis – simulations, data acquisition systems, trigger menus, calibration and analysis algorithms – are already performing beautifully at the new collision energy of 13 TeV. The experiments are clearly in a position to take up the analyses where they had left them with the 8 TeV data. True, there are no signs for new physics anywhere yet but LHCb, CMS and ATLAS all have little hints that will soon be elucidated with the new data.

conference-dinner

Conference dinner in the beautiful Schönbrunn castle in Vienna (Credit: Gertrud Konrad)

A wealth of new experiments and results were also presented at the conference on dark matter and dark energy. New avenues are also explored to broaden the searches in the hope of accounting for the 95% of the content of the Universe that is still completely unknown. Giant steps have already been taken and major breakthroughs are expected in the very near future. Developments are also expected in the neutrino sector, a prolific research domain that has been most puzzling and confusing for many years.

As stated by Pierre Binetruy, a theorist working on cosmology: “The simultaneous discovery of the Higgs and confirmation of some of the basic features of inflation (the rapid expansion that followed the Big Bang) has opened a new era in the common understanding of cosmology and particle physics“. It is clear that we are on the eve of major advances and discoveries. The next conference is sure to be an event not to be missed.

Pauline Gagnon

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline  or sign-up on this mailing list to receive an e-mail notification. You can also visit my website

 

 

Share