Mise à jour le 19 Avril 2010
 
 
CONFÉRENCE
"LE LHC ET LES DEUX INFINIS "
Par Michel SPIRO
Président du Conseil du CERN, ancien Dr de l'IN2P3
Au FIAP, 30 rue Cabanis, 75014 Paris (métro Glacière).
Le Mercredi 14 Avril 2010 à 20H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.
(Michel Spiro a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en ppt), elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle. LHC et les deux infinis-SAF.ppt elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF)
 
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
Salle pleine et public très attentif
 
 
 
Michel Spiro, nouveau Président du Conseil du CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) a aussi eu l'amabilité de nous amener de la documentation sur le LHC et l'IN2P3 que nous avons pu distribuer au public.
 
Rappelons que IN2P3 signifie Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules, dont M Spiro a été longtemps le Directeur.
 
Le thème de la conférence de ce soir et de chercher à comprendre les origines de l'Univers et de la matière, en se basant sur les expériences qui ont et vont avoir lieu au LHC, cet accélérateur, le plus puissant du monde à ce jour, reproduisant les conditions proches de celles du Big Bang.
 
 
 
 
 
 
 
 
LA PHYSIQUE DES PARTICULES.
 
La physique des particules cherche à répondre à ces deux questions fondamentales :
 
·        Quels sont les constituants ultimes de la matière?
·        Quelles sont les forces fondamentales qui régissent le comportement de ces particules élémentaires?
 
 
 
Un des moyens de trouver ces réponses est de se diriger vers un accélérateur de particules et notamment vers le plus puissant, le LHC (Large Hadron Collider)
 
En français cela veut dire grand collisionneur de Hadrons.
Les hadrons étant des particules sensibles à l'interaction forte, le nom vient du grec qui veut dire fort, ce sont des baryons (neutrons, protons) ou des mésons; le contraire de hadrons, ce sont des leptons, particules comme l'électron ou le neutrino, sensibles à l'interaction faible.
 
On envoie des particules chargées (protons par exemple) collisionner entre eux et on regarde les nouvelles particules créées. Plus l'énergie est grande et plus la pénétration est grande.
 
 
 
 
 
Les accélérateurs de particules sont en fait des super microscopes permettant d'inspecter la matière.
 
 
 
Cette diapo représente l'échelle (en cm) des dimensions de l'infiniment petit (à gauche) à l'infiniment grand (à droite).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rappel sur les différentes interactions fondamentales :
 
·        l'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur, ou encore des phénomènes astronomiques, portée illimitée
·        l'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière etc  Transportée par le photon
·        l'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques, très puissante. .
·        l'interaction faible, responsable de la radio-activité bêta, qui permet au Soleil de briller. Rayon d'action très court.
 
 
Ces quatre grandes interactions sont décrites par l'échange de particules (que l'on peut aussi appeler boson ou vecteur ou messager).
 
 
 
 
Ces particules et forces sont décrites par ce que l'on appelle le Modèle Standard de la physique.
 
 
(tableau de In2p3)
 
 
 
 
Mais on ne comprend pas bien, pourquoi telle particule possède telle masse ou telle autre possède une masse nulle, aussi a-t-on (Peter Higgs notamment) imaginé dans les années 1960, une autre particule, un boson, dit de Higgs.
Selon cette théorie, les particules acquièrent une masse en interagissant avec un champ (le champ de Higgs) porté par ce fameux boson de Higgs. C'est lui qui conférerait des masses à toutes les autres particules, ainsi qu'à lui même.
 
La masse d'une particule dépendrait donc de son degré d'interaction avec ce champ de Higgs, et les particules qui n’interagisseraient pas avec ce champ ne possèderaient aucune masse (comme le photon par exemple).
 
Ces particules de Higgs semblent conférer au vide une sorte de "viscosité du vide", responsable de l'inertie des particules, comme l'indique M Spiro.
 
Ce boson est le Graal de la physique actuelle et il n'a pas encore été détecté, c'est un des buts de la construction du LHC.
Si on ne le découvre pas, il faudra revoir nos concepts de physique actuels; ce serait plutôt une mauvaise nouvelle.
 
Jusqu'à présent on n'a donc pas trouvé le Higgs, cela veut certainement dire, que si il existe, il est très lourd, donc nécessite beaucoup d'énergie pour être mis en évidence.
 
 
Le Fermilab de Chicago le traque sans succès, mais la puissance future du LHC devrait nous aider à le débusquer, si la masse du Higgs est comprise dans le domaine d'énergie du LHC soit entre 100.000 et un million de fois la masse de l'électron.
 
 
 
L'UNIFICATION DES FORCES.
 
 
La nature est donc à priori composée de 4 grandes forces décrites plus haut, on aimerait bien essayer de voir si on ne pourrait pas les unifier et montrer qu'elles ne sont que les 4 aspects d'une seule et même force.
 
Cela a donné naissance à des théories comme la théorie de la grande unification ou GUT (Grand Unification Theory) ou de la Superforce.
 
Jusqu'à présent on a réussi à unifier la force électromagnétique et la force faible, cela a donné la force électrofaible.
À ce jour on essaie aussi d'y inclure la force forte, mais sans résultat pour le moment.
 
Mais quid de la gravité qui ne semble pas simple à inclure?
 
 
On en arrive alors à des théories plus complexes comme la relativité quantique, la gravité quantique ou la théorie des cordes etc..
 
 
Tout ceci nous amène à remettre en cause la composition de l'Univers.
 
 
L'ÉVOLUTION DE L'UNIVERS ET L'ORIGINE DE LA MATIÈRE.
 
Les expériences et mesures liées aux premiers temps de la création de l'Univers nous fait nous poser beaucoup de questions.
 
Les dernières études semblent montrer que l'Univers est principalement (au trois quarts) composé d'une substance dominante appelée énergie noire qui favoriserait une accélération de l'Univers que l'on sait en expansion depuis Hubble et Lemaître.
 
On n'a pas encore détecté directement cette énergie noire, on sait qu'il existe "quelques chose" équivalent à une force répulsive opposée à la gravité.
 
Ce peut être :
·        Soit l'énergie du vide
·        Soit une courbure de l'espace temps vide.
 
Une autre inconnue : il existe une matière (un quart de l'Univers a peu près) invisible sensible à la gravité seulement qui entoure les galaxies et qui a probablement servi "d'échafaudage" à la matière ordinaire pour créer les grandes structures que l'on observe actuellement, c'est ce que l'on appelle la matière noire.
Là aussi on ne sait pas exactement ce que c'est, ni les particules qui la composent.
 
Bref, ce qui reste (quelques miettes de %), c'est nous, les humains, les cafards, les étoiles.
 
De même une grande question reste aussi en suspens; au début de l'Univers, il y avait autant de matière que d'antimatière, et aujourd'hui plus rien (heureusement!), pourquoi? Où est donc passée l'antimatière?
 
Le LHC devrait nous aider à y voir plus clair dans ce domaine, c'est déjà le premier producteur au monde d'anti Hydrogène; il est stocké dans des pièges électromagnétiques.
 
 
 
LE BIG BANG ET L'INCOMPATIBILITÉ DE DEUX THÉORIES.
 
 
Aujourd'hui, notre physique est dominée par deux grandes théories :
 
·        La relativité générale (RG) qui est déterministe (principe de causalité).
·        La physique ou la mécanique quantique (MQ) qui est probabiliste.
 
Ces deux grands théories qui décrivent, l'une l'infiniment grand et l'autre l'infiniment petit sont deux mondes opposés, qui semblent totalement incompatibles entre eux.
 
Depuis des décennies, les physiciens ont cherché à rassembler la relativité et la mécanique quantique en une « théorie du tout ».
Einstein lui-même avait essayé pendant des dizaines d'années, sans succès.
On essaie aujourd'hui d'unifier gravité et MQ avec la théorie des cordes, mais rien n'est définitif.
 
Il reste énormément de questions ouvertes, par exemple :
 
L'origine des lois et de la matière.
 
Au tout début, l'extrapolation vers le temps zéro (température et densité infinies) va au delà de la physique usuelle. Cela mène-t-il à la théorie du Tout? Michel Spiro n'y croit pas en tout cas.
 
Il existe des théories comme la renormalisation (de la théorie quantique des champs) qui devrait décrire la gravitation.
 
Il y a eu certainement des brisures de symétrie dans l'Univers primordial, par exemple la gravité qui se sépare des autres forces. L'univers n'est pas aussi symétrique que l'on croit, par exemple, l'antimatière a disparu, ou le temps qui ne va que dans une seule direction (la flèche du temps).
 
Le principe anthropique : est-ce un hasard extraordinaire qui nous permet de vivre dans l'Univers actuel? En effet, les constantes fondamentales sont choisies de telle façon qu'une toute petite variation de leur valeur mènerait à un Univers stérile et sans complexité.
 
Alors, hasard ou non?? Cela pose un vrai problème; en effet comment se fait-il que ces paramètres soient si "parfaits"?
 
Quelques suggestions de réponses :
·        cela a-t-il été fait pour que la vie apparaisse (principe anthropique fort) ou
·        est-ce un incroyable hasard ou
·        on fait partie d'un ensemble plus vaste, un Multivers dont nous serions le composant avec "vie" (principe anthropique faible).
 
 
Avec le LHC on devrait pouvoir décider vers quelle solution s'orienter, notamment en étudiant la super symétrie (SUSY = SUper Symétrie) nouvelle théorie en addition au modèle standard.
 
Explique-t-elle aussi la hiérarchie des masses?
 
Le LHC devrait là aussi nous aider.
 
Bref, existe-t-il une loi supérieure à toutes, une méta-loi en physique?
 
 
 
 
LE CERN ET LE LHC.
 
Fondé en 1954, le CERN est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève.
 
Il a été l’une des premières organisations à l'échelle européenne et compte aujourd’hui
·        20 États Membres: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume Uni, Slovaquie, Suède, Suisse.
·        1 Candidat à l’ accession au statut d‘État Membre du  CERN: Roumanie
·        8 Observateurs au Conseil: Inde, Israël, Japon, la Fédération de Russie, les États-Unis, Turquie,    la Commission Européenne et l’UNESCO
Il comprend approximativement 2300 membres titulaires.
 
Le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est l’un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde.
Il a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l’Univers.
Il utilise des instruments scientifiques très complexes pour sonder les constituants ultimes de la matière : les particules fondamentales. En étudiant ce qui se passe lorsque ces particules entrent en collision, les physiciens appréhendent les lois de la Nature.
 
Budget 2009 du CERN, 1000 millions de Francs Suisses, soit approx. 700 millions €.
 
 
Extrait du site du LHC :
 
"Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument scientifique situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre.
C’est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière.
Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l'intérieur des atomes, à l’infiniment grand de l’Univers.
 
 
Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions de plomb) circuleront en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour.
 
En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang.
 
Des équipes de physiciens du monde entier analyseront les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.
 
Il existe de nombreuses théories quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens s’attendent en tous cas à une nouvelle ère de physique, apportant de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l’Univers.
 
 
Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de la Nature. Mais ce modèle est insuffisant. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC permettront de repousser les frontières du savoir, mettant au défi ceux qui cherchent à confirmer les théories actuelles et ceux qui rêvent à de nouveaux paradigmes. "
 
 
Avant d’être injectés dans le LHC, les protons subiront une accélération progressive dans des boucles de plus en plus longues.
La première, appelée booster, augmentera l’énergie des particules jusqu’à 1,4 GeV.
Les protons seront ensuite injectés dans deux synchrotrons successifs, portant leur énergie à 25, puis à 450 GeV.
Ils seront alors prêts pour subir l’accélération ultime dans la dernière boucle, celle du LHC proprement dite, longue de 27 km!
Leur vitesse se rapprochera alors de celle de la lumière (99,9999991 % de la vitesse de la lumière), soit 299 800 km/sec, correspondant à une énergie de 7 TeV
 
Lors de la collision frontale de deux protons, l’énergie dégagée atteindra ainsi 14 TeV, un record mondial.
La prouesse ne sera pas tant de parvenir à une énergie aussi élevée (un moustique en plein vol véhicule une énergie de 1 TeV …), mais de la concentrer dans un espace aussi réduit (à un million de million de fois plus petit qu’un moustique !). 
 
Rappel : 1 GeV= 109eV (electron-volt) = 1,6 10-10 joule      1 TeV= 1000 GeV
 
Site du LHC  http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html
 
Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont pré-refroidis à l’azote liquide (10.000 tonnes) à une température -193,2°C (80 K) puis portés à -271.3 °C (1.9 K) à l’aide d’Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide ).
 
 
 
Il y a principalement 4 grandes expériences installées dans le LHC :
·        ALICE : collisions d’ions de plomb pour rechercher des particules nées du Big Bang mais disparues aujourd’hui.
·        ATLAS : recherche du boson de Higgs, recherche de particules super-symétriques (matière noire), de possibles nouvelles dimensions spatiales
·        CMS : mêmes objectifs qu'Atlas, mais avec des détecteurs différents.
·        LHCb : recherche d'antimatière.
 
Chaque expérience est grande comme…….une cathédrale!
 
Le LHC est encore en phase de tests (100 collisions/sec), il faudra deux ans pour une montée en intensité (14 Tev), c'est à dire un faisceau de 7 Tev contre un faisceau de 7 Tev, à 1 milliard de collisions/sec; il devrait pouvoir être utilisé 20 ans.
 
L'observation du Higgs devrait s'avérer très difficile et très rare quand même, étant donné qu'il devrait correspondre à une collision sur mille milliards, mais pas impossible , le nombre de collisions étant très élevé (700 millions/sec).
Il faudra être capable de trier les bons et mauvais évènements rapidement.
 
Tout ceci nous amène à parler de l'énorme quantité d'informations à traiter et à stocker : par exemple pour l'expérience Atlas, avec ses 700 millions de collisions/sec, on obtient 1 Gigabyte de données par seconde soit 2 Petabytes (peta = un million de GB) par an.
Tout le LHC correspondant à 10 Petabytes/an. Cela correspond comme image, à une colonne de DVD de 20km de haut par an (100.000 DVD par an).
 
On comprend bien qu'un seul calculateur ne peut pas gérer de telles quantités d'information; on va donc utiliser tout un réseau de calculateurs répartis dans le monde entier, c'est le fameux super réseau d'ordinateurs GRID.
 
 
LA FRANCE ET LE CERN.
 
La France est très impliquée dans le CERN, elle a un retour sur investissement de 3, soit pour un Euro investi, elle en reçoit trois indirectement en retour (commande, etc..).
Voici les labos qui participent aux principales expériences :
 
ALICE:
7 instituts, 108 membres
 CEA, Saclay
Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand
Université Grenoble
Université Nantes
Institut de Physique Nucléaire, Orsay
Université Strasbourg
Université Lyon
ATLAS:
 
7 instituts, 307 membres
 
CEA, Saclay
LAPP, IN2P3-CNRS, Annecy-le-Vieux
IN2P3-CNRS, Clermont-Ferrand
IN2P3-CNRS-Univers. Joseph Fourier, Grenoble
IN2P3-CNRS, Marseille
Labo de l'Accélér. Linéaire, IN2P3-CNRS, Orsay
Université de Paris VI et VII, IN2P3-CNRS, Paris
CMS:
5 instituts, 153 membres
 
CEA, Saclay
LAPP, IN2P3-CNRS, Annecy-le-Vieux
École Polytechnique, Palaiseau
Université Strasbourg
Université Lyon
LHCb:
 
5 instituts, 102 membres
 
LAPP, Annecy le Vieux
Université Clermont Ferrand
Université Marseille
Orsay, LAL
LPNHE, Paris
 
Le LHC représente seulement 1/100 du budget de la recherche scientifique de la France.
 
 
 
CONCLUSION.
 
 
Les recherches au LHC sont pour l'Humanité comme une quête, elle rassemble par delà les différences (religieuses ou citoyenneté..).
 
Le LHC, la plus grande aventure scientifique du monde moderne.
 
 
 
Mais il reste encore du chemin à parcourir.
 
De plus il semble que nous atteignions une limite en puissance avec le LHC (comme on le voit sur l'image ci-contre), sera-t-elle un jour dépassée??
 
 
 
 
 
 
 
 
La conférence fut suivie de nombreuses questions posées par un public passionné.
 
 
 
Merci Michel Spiro de nous avoir fait goûter à ces deux infinis.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
CR de la conférence de M Spiro aux RCE 2008 : "Particules et Big Bang du LHC aux origines de l’univers"
 
Interactions fondamentales et particules élémentaires, document résumé de 3 pages pdf.
 
Trouver le boson de Higgs ce serait formidable, article sur TF1.
 
Tout sur le boson de Higgs par Techno Science.
 
Vers la gravitation quantique, CR de la conférence SAF de M Lachièze Rey.
 
Une brève histoire de la matière CR de la conf IAP de G Cohen Tannoudji.
 
La théorie quantique des champs   par G Cohen-Tannoudji, présentation ppt
 
Les cordes cosmiques : CR de la conférence de M Sakellariadou à l'IA
 
La brisure de symétrie, un casse-tête et trois Nobel, article de Science et Avenir.
 
Sur la théorie des Cordes mais quand même abordable
 
LHC : Collision record au CERN! (02/04/2010)
 
Article de la recherche scientifique sur le LHC
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin   membre de la commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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