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- Mise à jour le 14 Décembre 2012
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- CONFÉRENCE À L’INSTITUT
HENRI POINCARÉ
« LE GRAND ANNEAU DU CERN ET LES DEUX INFINIS »
- Par Michel SPIRO
- Président du Conseil du CERN, ancien Dr de l'IN2P3
- Le Vendredi 7 décembre
2012 amphi Hermite (IHP)
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Merci
à Christian Larcher qui a participé à cette conférence et nous
retransmet ses notes.
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- Photos : Christian Larcher. pour l'ambiance
(les photos avec plus de résolution peuvent m'être
demandées directement)
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- Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur. Voir les crédits
des autres photos et des animations.
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Dans
le cadre de la série : « une question, un chercheur » une
soirée était organisée par l’Union des Professeurs de Spéciales (UPS),
la Société Française de Physique (SFP), la Société Mathématique de
France (SMF), l’Institut Henri Poincaré (IHP) pour les élèves des
classes préparatoires. Le chercheur invité était Michel Spiro, Directeur
du Comité Scientifique du CERN.
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- J’ai essayé de résumer au mieux
quelques-uns uns des principaux aspects abordés. Pour faciliter la lecture
j’ai introduit des sous-titres qui n’existaient pas. S’il subsiste des
erreurs ou des imprécisions, j’en porte seul la responsabilité.
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- Je n’ai pas reproduit tout ce qui concerne le
fonctionnement du CERN et du LHC ;
je vous renvoie pour cela aux sites web qui sont très nombreux et
bien documentés.
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- Christian Larcher
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- Matière
antimatière
- Au CERN, on fabrique des protons dont l’énergie
est de l’ordre du Gev mais on sait aussi créer des paires proton
antiproton.
- En théorie les protons ne différent des
antiprotons que par la charge.
- Avec des antiprotons, on peut fabriquer de
l’antimatière. On les décélère, on les ramène presque au repos, on
leur fait rencontrer des positrons et on fabrique des anti hydrogène, que
l'on stocke. On est capable de les conserver et de les soumettre à des
rayonnements laser pour voir si les propriétés atomiques, celles les
spectres par exemple, sont les mêmes pour l'antihydrogène et pour l'hydrogène.
On voudrait aussi les voir suffisamment longtemps pour observer leur
mouvement dans le champ gravitationnel, voir s’ils tombent ou si, au
contraire, ils sont repoussés par le champ de gravitation.
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- Normalement
les lois de la physique sont symétriques pour les protons et les
antiprotons.
- D’après la théorie du Big Bang, au début
l'énergie est pratiquement pure ; cette radiation est convertie en
matière avec autant de matière
que d’antimatière. On devrait donc pouvoir observer des antiétoiles, des
antigalaxies.
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- Or, aussi loin que l’on regarde, on ne
voit pas d’antiétoiles ni d’antigalaxies.
- S’il y en avait, il y aurait des conflits de
frontière entre matière et antimatière, il se produirait une annihilation
avec émission d’énergie, que l'on n'observe pas.
Où est passée
l'antimatière ?
- Peut-être que l’antimatière se situe loin
en dehors de notre Univers observable. Tous les éléments lourds à partir
de C ont été fabriqués dans les étoiles, puis relâchés dans le cosmos
lors de l'explosion de l'étoile ; il n'y a que H et He qui ont été
fabriqués lors du Big Bang.
- Le CERN a mis en place sur
la station spatiale ISS un dispositif qui recherche s’il existe des
anticarbone, pour l’instant sans résultat.
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- Depuis 2010 les deux grandes découvertes du
CERN sont :
- ·
Un
nouvel état de la matière, un plasma fait de quarks et de gluons lors
de collisions plomb-plomb (dispositif ALICE). Tous les quarks confinés dans
les protons se sont libérés de leur carapace pour former une espèce de
boule de quarks et de gluons.
- ·
L’annonce de la découverte
du boson de Higgs le 4 juillet dernier.
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- Échelle
des distances
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- La physique appréhende des échelles de
distances qui vont de l’infiniment petit à l’infiniment grand. Vers les
échelles petites, on bute sur le mur de Planck ( 10-32 cm), véritable
mur de l’ignorance. A ces distances, il faut faire appel à la
gravitation, à la mécanique quantique et à la théorie de la relativité,
avec une vision géométrique des chemins parcourus, des géodésiques déterministes.
- On
ne sait pas marier ces trois types de physique à ce niveau.
- La relativité est déterministe alors que les
autres interactions, pilotées par les théories quantiques des champs
relativistes, obéissent à un hasard intrinsèque. Le mariage ne se fait
pas entre les deux.
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Michel
Spiro décrit l’échelle des longueurs depuis celle de Planck jusqu’aux
distances astronomiques.
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- À distance plus petite, on ne peut pas ignorer
les effets de l'une ou de l'autre, il faut traiter les effets quantiques et
la gravitation.
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- On ne sait pas le faire actuellement :
Lorsqu'on extrapole l'histoire de l'univers lorsqu'il était beaucoup
plus dense et plus chaud, on tombe sur cette valeur de Planck au-delà de
laquelle on ne dispose pas de lois de la physique.
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- L'autre extrême, c'est l'échelle de l'univers
observable 10 28 cm , ce qui correspond à 13 milliards d'années
( temps que met la lumière à nous parvenir de cette distance) ; au
delà l'univers est opaque.
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- Pour observer l’Univers à très grande échelle
on dispose de télescopes embarqués, comme Hubble, et au sol du VLT et d’ALMA
au Chili.
- Pour regarder l’infiniment petit on utilise
le LHC que l’on peut voir comme un super-microscope. On « voit »
mieux avec des électrons qu'avec la lumière visible car ils ont une
plus grande énergie ; avec les protons du LHC on peut « voir »
les quarks et regarder à travers les quarks si l’on voit quelque chose.
Pour l’instant on ne voit rien.
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- Les
poupées russes
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- La matière se présente comme une suite de
poupées russes : il y a un emboîtement de structures et un emboîtement
de lois de la physique. Les théories s’emboîtent les unes dans les
autres. En mécanique classique il y a une infinie diversité de structures ;
par contre les lois sont simples (par exemple pour les gaz PV = nRT).
- Si on regarde de plus près les gaz ou la matière,
on s’aperçoit quelle est faite de molécules c’est le domaine de la
chimie, les molécules sont faites d’atomes et à ce niveau la mécanique
classique ne s’applique plus, il faut utiliser la mécanique quantique où
les atomes sont à la fois ondes et particules et où les phénomènes obéissent
à des probabilités.
- La mécanique quantique appliquée à un grand
nombre d’atomes redonne les
lois de la mécanique classique ; c'est ce qu'on appelle la décohérence
quantique. Les atomes ne sont plus considérés comme particule élémentaire,
les électrons sont toujours élémentaires ; les protons et neutrons
ne sont plus élémentaires, ils sont faits de quarks qui sont eux élémentaires
au même titre que les électrons. Pour décrire les quarks et les électrons,
on utilise la théorie quantique relativiste ; toutes ces théories
s'emboîtent les unes dans les autres.
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- Intrication
matière-théorie
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- Finalement on est allé d’une diversité
presque infinie de la matière, avec des lois assez simples, à un ensemble
de composants très réduit (la matière stable est composée avec deux
types de quarks et les électrons). Mais pour définir un quark, il faut
utiliser l’attirail de la théorie des champs relativistes.
- On est parti d’un monde dans lequel on avait
des lois complètement distinctes de la matière et une matière extrêmement
diverse pour arriver à un nombre de composants très réduits (une
douzaine) mais qui portent en eux la complexité des concepts.
- On va d’une matière complexe, dans laquelle
le monde des idées est vraiment très différent du monde de la réalité,
un peu selon les idées de Platon, à un monde où pour décrire la matière,
les quarks, il faut faire appel à la théorie.
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- Structure
de la matière
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- Résultat des 50 dernières années : les
constituants qui constituent la matière stable sont les quarks u et d,
l’électron auquel il faut associer le neutrino. A côté des particules
qui constituent la matière stable, il existe trois familles instables
constituées de quarks et du gluon, qui est comme un électron, mais un électron
mou. Il s’agit de particules de matière, des fermions car elles possèdent
un spin semi-entier. Les fermions ne peuvent pas exister dans le même état
quantique, c'est ce qui reste de l'impénétrabilité de la matière.
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- Le
monde des forces
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- Le monde des forces, le monde des lois, est lui
aussi présenté par des particules. On voit que ces mondes se rapprochent, les forces sont véhiculées par des particules.
La force électromagnétique est véhiculée par des photons, la force forte
est véhiculée par des gluons et la force faible, responsable de la
radioactivité bêta, est véhiculée par des particules lourdes, que l’on
appelle bosons intermédiaires. Ils furent découverts au CERN dans les années
80 ; ils sont très lourds c'est ce qui fait que cette force est
faible, c'est pour cela qu'ils sont « passe muraille ». Les électrons
subissent à la fois la force faible et la force électromagnétique tandis
que les quarks subissent les trois forces.
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- Vous voyez que les forces sont aussi véhiculées
par des particules, mais des particules qui ont des spins entiers, en
l’occurrence de spin 1 ; on peut les mettre dans le même état
quantique ; c’est ce qui
permet de fabriquer des lasers. Les lasers ce sont des photons tous mis dans
le même état quantique.
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- Modèle
standard et boson de Higgs
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- Le
modèle standard de la physique des
particules décrit les interactions fortes, faibles et électromagnétiques,
toutes les interactions quantiques, mais pas l’interaction
gravitationnelle traitée par Albert Einstein avec la géométrie
relativiste et déterministe.
- Si l’on n’avait que cela, le modèle
quantique serait incapable de donner une masse à toutes les particules.
- Elles auraient toutes une masse nulle.
- Pour arriver à rendre le modèle cohérent,
avec une masse associée aux particules, il faut une particule, recherchée
depuis 40 ans, c’est le fameux boson de Higgs, découvert le 4 juillet
2012 et prédit par Brout, Englert et Higgs (deux belges et un anglais).
- La puissance des médias anglo-saxons fait que
l’on n’entend parler que de Higgs.
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- Le
vide quantique et viscosité
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- Le vide quantique n’est pas aussi vide que
l’on pourrait l’imaginer. C’est déjà vrai pour le vide classique
puisque si dans une enceinte vous faites le vide, vous pompez toutes les molécules
que vous pouvez, il n’empêche que les parois aussi rayonnent et vous ne
pouvez pas enlever ce rayonnement même conceptuellement. Vous avez toujours
quelque chose dans le vide classique.
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- Dans le vide quantique encore plus parce que
les relations d’incertitudes font que si on l’observe de très près,
dans un temps bref, il fluctue ; le vide quantique est considéré
comme l’état d’énergie le plus bas.
- Il peut être plein de fluctuations quantiques
et donc on le considère comme un quasi milieu.
- Le boson de Higgs confère à ce quasi milieu
une sorte de VISCOSITÉ
et ce sont les particules qui, à travers cette interaction avec le vide
quantique, acquièrent une masse.
- C’est même un quasi milieu au point qu’il
a connu une transition de phase.
- Dans les premiers instants de l'univers,
lorsqu'il était plus dense et plus chaud que ce que l'on sait faire au LHC,
toutes les particules avaient une masse nulle et donc elles se ressemblaient
plus, au point de devenir identiques.
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- Grande
unification
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- En remontant le temps vers le Bing Bang on va
vers une sorte de monisme, c’est à dire des particules uniques, des
forces uniques, de plus en plus unifiées, avec en plus une sorte
d’immanence particulière, c’est à dire que les particules et les lois
pour les décrire sont intimement mêlées. C’est un peu la vision de
Spinoza par rapport à celle de Platon : l’immanence par rapport à
la transcendance pour ceux qui s’intéressent à la philosophie.
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- Cette aspiration vers l’unité, vers la
grande unification vers une seule particule et une seule force on la
voit de la droite vers la gauche (vers le Big-Bang sur le schéma)
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- La découverte de l’unification c’est
pratiquement l’histoire de la physique puisque l’on a vu, tour à tour,
la gravité terrestre et la gravité céleste s’unifier pour donner la
gravitation universelle de Newton et qui après a donné la relativité générale
d’Einstein avec sa fameuse théorie déterministe et géométrique. (La
gravité terrestre, c’est la pomme de Newton, la gravité céleste,
c’est le mouvement des planètes autour du Soleil).
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- Les interactions quantiques sont ici sur le schéma.
Une première unification apparue entre le magnétisme et l’électricité
pour donner l’électromagnétisme de Maxwell, et une deuxième plus récente
qui a été faite avec la machine qui a précédé le LHC qui s’appelait
le LEP dans laquelle on accélérait et on faisait collisionner des électrons
et des positrons dans la grande machine de 27 km du CERN.
- On obtenait des énergies de quelques centaines
de Gev. On pouvait montrer que les forces électromagnétiques et les forces
faibles devenaient indifférenciables et on arrivait à un modèle que
l’on appelle « modèle électrofaible » qui est de mise au LHC.
- On ne peut pas distinguer l’interaction électromagnétique
de l’interaction faible dans les conditions que l’on a au CERN.
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- Supersymétrie
et matière noire
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- On s’attend que l’interaction forte
s’unifie avec l’interaction électrofaible vers 1015
Gev et qu’entre les deux il y a ce que l’on appelle une « supersymétrie ».
Cette supersymétrie devrait en principe établir une symétrie entre les
particules de force et les particules de matière et réciproquement. Dans
ce monde de la supersymétrie, on devrait trouver un doublement des
particules élémentaires constituées par les images symétriques de
chacune des particules que l’on connaît aujourd’hui.
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- On les cherche activement au LHC sans succès
pour l’instant. Pourtant la théorie prévoie que ces particules devraient
avoir une masse dont l’ordre de grandeur ne devrait pas excéder 1000 Gev.
- La plus légère de ces particules devrait être
stable et constituer ce que l’on appelle la « matière noire »
ou « matière sombre », qui reste une grande énigme dans notre
vision de la structure de l’Univers.
- On espère que l’on pourra la découvrir en
doublant l’énergie du LHC on pourra les découvrir.
- C’est une étape nécessaire pour aller vers
la grande unification et pour l’unification encore plus lointaine de la
gravité quantique vers 1019 Gev
à la fameuse échelle de Planck. Il y a quelques théorie qui
existent la théorie des cordes ou celle des supercordes, qui sont des théories
très mathématiques, mais ne
donnent pas de confirmation.
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- Un
voyage dans le temps
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- L’Univers
est en expansion accélérée. On
pense que cette accélération est due à l’énergie du vide déjà
mentionnée.
- Puisque l’Univers est en expansion,
l’espace temps est lui-même en expansion et quand on remonte dans le
temps les choses se rapprochent les unes avec les autres comme dans un gaz
et la température de l’univers (que l’on peut mesurer à partir du
rayonnement fossile du premier instant, elle est actuellement de 2,7 K), et
la densité augmentent ; tous
les objets sont plus proches les uns les autres.
- Ce rayonnement fossile devient de plus en plus
chaud au point que l’on arrive à un univers qui était quasiment opaque
il y a 13 milliards d’années. Au delà les atomes sont dissociés.
- En remontant encore l’histoire de l’Univers
on tend vers une singularité de température et d’énergie qui toutes
deux tendent vers l’infini. On ne peut pas aller plus loin qu’une température
de l’ordre de 1019 Gev.
- Cette température est très élevée, au LHC
on ne dépasse pas le Tev c’est à dire le millier de Gev.
- On peut extrapoler les lois de la physique
jusqu’à 1019 Gev.
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- C’est bien au-delà que la gravité devrait
devenir quantique et on ne sait pas la traiter.
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- Si on part de cet instant là,
très chaud très dense, très petit, où tout l'univers observable
tenait dans 10-32 cm, il a connu une expansion accélérée dans
les tous premiers instants. Au bout d’une picoseconde 10-12 s,
le mécanisme de Higgs conduit à une transition de phase du vide quantique :
Les particules, qui étaient
avant sans masse, et la lumière apparaissent.
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- En
définitive à la fois la lumière fut et la masse vint aux particules en 10-12
s.
- Avant c’était une espèce d’hyper lumière.
Toute la lumière était unifiée à l’interaction faible et forte.
- Après une picoseconde la lumière et les
photons deviennent ce qu’ils sont.
- Après une microseconde les quarks et les
gluons, qui constituaient une sorte de plasma, sont confinés dans les
protons et les neutrons. Après 3 minutes on voit apparaître les premiers
noyaux, après quatre cents mille ans on voit apparaître les atomes.
- À partir de ce moment, l’univers devient
transparent et la lumière peut se propager.
- Elle peut voyager sans être empêchée par le
plasma des charges positives et négatives comme auparavant.
- À partir de ces premiers atomes neutres vont
se constituer les premières étoiles et galaxies et toute la complexité
que vous connaissez. Puis la chimie puis la vie après un milliard d’années
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- Hasard
ou nécessité
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- Toute cette série de transitions est entièrement
définie par des lois déterministes.
- Au premier instant le hasard a joué un rôle
puisque l’on était dans un Univers quantique et que cet Univers est
intrinsèquement probabiliste.
- Par exemple au LHC, les collisions
proton-proton sont de nature quantique. Il n’y a donc pas deux collisions
proton-proton qui se ressemblent exactement.
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- On peut donc se demander si l’Univers tel que
nous le connaissons est le fruit d’un hasard quantique ou s’il y a
d’autres Univers bulles, au delà de ce point qui a donné naissance à
notre Univers observable.
- Il est possible qu’au-delà de ce que l’on
observe, il y ait d’autres bulles qui se soient produites avec des caractéristiques
différentes de l’Univers que l’on connaît.
- Actuellement, cette question est une grande énigme.
- Est-ce que tout ce que l’on voit dans l’Univers
s’explique à partir des conditions initiales ou bien est-ce qu’il y a
beaucoup d’autres bulles au-delà de notre Univers observable ?
- Ou bien les choses se sont passées différemment
et nous sommes dans la bonne bulle celle qui a permis à la vie d’apparaître
et dans laquelle nous existons ? Un peu comme la Terre et les milliards
de planètes qui peuvent exister.
- On est évidemment sur Terre parce que les
conditions nécessaires pour que la vie apparaisse étaient réunies.
- Mais l’on est incapable de savoir quelle est
la part du hasard, quelle est la part de nécessité dans l’émergence de
toutes ces structures, surtout dans les tous premiers
instants.
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- Projets
d’avenir
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- Le CERN a la possibilité de doubler l’énergie
mise en œuvre actuellement au LHC. Mais au paravent il sera nécessaire de
refaire environ 10 000 soudures. Ces soudures doivent posséder une résistance
extrêmement faible de l’ordre 10-9 ohm, cette valeur est
tellement faible que l’on n’avait pas initialement d’appareils pour la
mesurer.
- Si le circuit électrique cesse brutalement de
rester supraconducteur l’intensité électrique augmente subitement
provocant un important dégagement de chaleur.
- C’est ce qui est arrivé le 19 septembre 2008
au niveau des soudures électriques entre deux aimants.
- Cette défaillance a entraîné des dégâts mécaniques
provocants la fuite d’une tonne d’hélium liquide.
- La réfection de toutes les soudures prendra
environ deux ans.
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- POUR ALLER PLUS LOIN.
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- Le
LHC, chasseur de Higgs :
CR de la conf. De Y Sirois aux RCE 2010 le 12 nov 2010
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- Les
cordes cosmiques etc .. :
CR de la conférence IAP de P. Peter du 6 Mars 2012
-
- La
longue traque du boson de Higgs :
CR de la conf. SAF (cosmo) de G Cohen-Tannoudji du 5 Mai 2012
-
- Les
branes et cordes :
CR de la conf. de C Deffayet
à la SAF (Cosmologie) le 28 Juin 2012
-
- L’asymétrie
matière-antimatière :
CR de la conférence de G Chardin à la SAF le 20 nov 2010.
-
- L’Univers
en accélération :
CR de la conférence du Prix Nobel S. Perlmutter du 17 dec 2011
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- LHC,
le boson de Higgs et après ? :
CR conf M Spiro RCE2012 du 2 nov 2012
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- Bon ciel à tous
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- Christian Larcher SAF
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