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1 Quelques liens entre l'infiniment petit et l'infiniment grand Séminaire sur «les 2» au CNPE (Centre Nucléaire de Production d'électricité) de Golfech Sophie Kerhoas-Cavata - Irfu, CEA Saclay, Gif sur Yvette 1

2 Interactions de deux ethnies scientifiques Les astronomes Les physiciens des particules Percer les secrets de l Univers Percer les secrets de la matière 2 J. Paul Interactions Sophie des Kerhoas-Cavata deux infinis "séminaire 13 novembre sur les 2010 deux infinis" Cité - des CNPE Sciences de Golfech Paris Planche 2

3 1. Formules célèbres - les 4 forces de l Univers 2. Fenêtre sur le monde de l petit Comment l observer 3. Fenêtre sur le monde de l grand Comment l observer 4. Des mystères communs 5. Le passeport deux infinis 3 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

4 E = mc 2 La matière peut se transformer en énergie On peut transformer de la masse en énergie la fission ou de la fusion nucléaires. Dans le Soleil, à chaque seconde, 620 millions de tonnes d hydrogène sont transformées en 615 millions de tonnes d hélium. 4 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

5 E = mc 2 L énergie peut se transformer en matière Dans une collision de particules à haute énergie, la masse n est pas conservée et les particules produites ne sont pas des fragments des particules incidentes, mais de nouvelles particules L énergie cinétique des particules qui entrent en collision est convertie en matière 5 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

6 Comment voir une particule? Des particules «sondes» doivent donc être violemment projetées sur des particules «cibles». A toute particule est associée une longueur d onde d autant plus courte que la particule est plus énergétique h c E = λ Si la particule que nous choisissons pour cible est petite, les particules devront avoir une longueur d onde plus petite encore. mauvaise loupe bonne loupe 6 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

7 les interactions fondamentales de l univers l interaction électromagnétique l interaction nucléaire faible l interaction nucléaire forte la gravitation Pourra-t-on unifier les forces fondamentales? faire cohabiter au sein d un même formalisme mathématique les 4 forces? réussi pour les 3 forces du monde microscopiques Modèle standard de la physique des particules (encore plein de questions ouvertes ) une théorie quantique de la gravitation? 7 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

8 Correspondance entre forces et particules Une interaction ne s exerce entre deux particules que par l échange d une troisième «Ballon» de masse Nulle, portée infinie mais il faut de la charge 3 «Ballons» lourds (~100 m p ) portée très courte (~ m) faible intensité difficile à observer mais capital (n p) «Ballon» de masse nulle mais courte portée (~ m) Forte intensité Graviton? 8 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

9 Le LHC: Rencontre des Particules à grande vitesse 9

10 Tester le modèle standard et aller au delà? Le modèle standard n explique pas l origine de la masse, ni pourquoi certaines particules sont très lourdes alors que d autres ne possèdent aucune masse. La réponse se trouve peut-être dans le mécanisme de Higgs.??? Le modèle standard n offre de description unifiée de l ensemble des forces fondamentales. La supersymetrie pourrait faciliter l unification des forces fondamentales. les particules supersymetriques les plus légères devraient être découvertes au LHC. l ensemble de la matière visible ne constitue que 4 % de l Univers. La chasse aux particules ou aux phénomènes responsables de la matière noire (23 %) est ouverte. Le LHC contribuera également a élucider le mystère de l antimatiere. 10

11 CERN, illustration Philippe Mouche 4 expériences pour étudier les collisions! Des appareils qui permettent de sélectionner et enregistrer les signaux issus des 40 millions de collisions de protons par seconde! Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 11

12 Principe des détecteurs (CMS) 12

13 ATLAS: un Géant de 5 étages 13

14 CMS: plus lourd que la Tour Eiffel! 14

15 ALICE: regarder le plasma quarkgluon 15

16 LHCb: en quête de beauté 16

17 Le 10 Septembre 2008 les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC! MasterDay 29 janvier 2011 Ursula Bassler - Irfu/SPP CEA-Saclay 17

18 Le 10 Septembre 2008 les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC! 18

19 Le 10 Septembre 2008 les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC! MasterDay 29 janvier 2011 Ursula Bassler - Irfu/SPP CEA-Saclay 19

20 Le 10 Septembre 2008 les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC! 20

21 19 Septembre 2008: L incident Le LHC : 5000 aimants supraconducteurs avec plus de interconnections 21

22 19 Septembre 2008: L incident Le LHC : 5000 aimants supraconducteurs avec plus de interconnections Mauvais contact entre 2 brins de câbles supraconducteur crée un arc électrique 22

23 19 Septembre 2008: L incident Le LHC : 5000 aimants supraconducteurs avec plus de interconnections Mauvais contact entre 2 brins de câbles supraconducteur crée un arc électrique Le Hélium superfluide se réchauffe et devient gazeux l expansion provoque une onde de choque 6 tonnes d Hélium échappent dans le tunnel, des dipôles de 15m de long et de 35 t ont été déplacé jusqu à 20cm! 23

24 19 Septembre 2008: L incident Au total 53 aimants sont réparés et nettoyés durant tout l année 2009 Plus de 4 km de tube à vide sont nettoyés Des nouveaux systèmes de sécurité sont installés Le LHC : 5000 aimants supraconducteurs avec plus de interconnections Mauvais contact entre 2 brins de câbles supraconducteur crée un arc électrique Le Hélium superfluide se réchauffe et devient gazeux l expansion provoque une onde de choque 6 tonnes d Hélium échappent dans le tunnel, des dipôles de 15m de long et de 35 t ont été déplacé jusqu à 20cm! 24

25 Depuis : mieux régler qu une horloge suisse! 20/11/2009: le LHC est de retour 25

26 Depuis : mieux régler qu une horloge suisse! 20/11/2009: le LHC est de retour 23/11/2009: les premières collisions MasterDay 29 janvier

27 Depuis : mieux régler qu une horloge suisse! 20/11/2009: le LHC est de retour 23/11/2009: les premières collisions 30/03/2010: collisions à 7 TeV MasterDay 29 janvier

28 Juillet 2010: 1 er résultats 20/11/2009: le LHC est de retour 23/11/2009: les premières collisions 30/03/2010: collisions à 7 TeV Juillet 2010: premiers résultats montrés à la conférence ICHEP à Paris 28

29 Fin 2010: Collision d ions Plomb 20/11/2009: le LHC est de retour 23/11/2009: les premières collisions 30/03/2010: collisions à 7 TeV Juillet 2010: premiers résultats montrés à la conférence ICHEP à Paris 8/11/2010 : collisions de ions de plomb arrêt hivernal en décembre, retour en février pour 2011 et 2012 avec 100 fois plus de données à 7 TeV énergie nominale (14 TeV) à partir de

30 Les particules et l Univers L univers d aujourd hui ne ressemble guère à l univers primordial. Certes, mais en réalité, ce sont les conditions physiques qui ont changé, et non les lois. LHC Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 30

31 Formation et évolution de l Univers recombinaison 1 ères étoiles développement des galaxies Big-bang âges sombres accélération de l expansion expansion de l Univers (13,7 milliards d années) 31 J. Paul Interactions Sophie des Kerhoas-Cavata deux infinis "séminaire 13 novembre sur les 2010 deux infinis" Cité - des CNPE Sciences de Golfech Paris Planche 31

32 Observer l Univers avec toutes les longueurs d ondes et à différentes échelles de temps et de distance Instrumentation spatiale simulation Formation & évolution Étoiles à neutrons supernovae Univers violent planètes galaxies Univers sombre cosmologie 32 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

33 Lancement des satellites Herschel et Planck Ariane 5 : 14 mai 2009

34 Le satellite Herschel

35 Comprendre l'origine de la masse des étoiles Rouge : SPIRE 500 µm Vert : PACS 160 µm Bleu : PACS 70 µm Herschel met en évidence le fait que les sites de formation stellaire sont intimement liés à la structure du milieu interstellaire extrêmement structuré. Nuage de formation stellaire 35 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

36 Mécanismes et dynamique stellaires dans une galaxie Andromède est la galaxie la plus proche à 2,5 millions d'années-lumière! Andromède ressemble un peu à la Voie Lactée, notre galaxie, car c'est une galaxie spirale. Herschel détecte la lumière infrarouge et cartographie les nuages de gaz et de poussière très froids (-250 C) dans lesquels les étoiles naissent. 36 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

37 Mécanismes et dynamique stellaires dans une galaxie Satellite XMM-Newton est sensible au rayonnement des hautes énergies, celui des rayons X. XMM-Newton détecte les signes de la mort explosive des étoiles massives ou de système double d'étoiles à travers les rayons X émis par ces phénomènes. 37 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

38 Mécanismes et dynamique stellaires dans une galaxie observations ont été réalisées pendant Noël 2010 Herschel révèle la structure de d anneaux (5) en détectant le rayonnement infrarouge émis par la poussière qui est chauffée par les étoiles naissantes dans cet immense réservoir de gaz. XMM-Newton révèle des centaines de sources de rayon X à l'intérieur de la galaxie. Les sources les plus bleues = trou noir ou une étoile à neutron, phases ultimes de la vie d'une étoile massive Combiner les images (IR,X, visible ) pour retracer toute l'histoire de la formation et de l'évolution des étoiles dans les galaxies 38 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

39 Quête des 2 infinis : De quoi est fait l Univers? 39 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

40 Qu est-ce que c est la matière noire? Fritz Zwicky dans les années 30 : la courbe de la vitesse de rotation des étoiles dans une galaxie ne correspond pas à la distribution lumineuse Plus récemment (2006) : l observation de la collision de deux amas de galaxie montre des effets gravitationnels différents de la distribution lumineuse petit : nouvelles particules crées au LHC ou détectées sous terre (LSM) grand : analyse du fond diffus cosmologique par PLANCK (1ière lumière de l Univers!) 40 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

41 l Energie noire? Loi de Hubble Observations cosmologiques les supernovae peuvent être utilisé comme chandelle standard mesures de leur spectres et de leur luminosité : l univers est en expansion accéléré depuis environ 7 milliards d années! Quelque chose s oppose à la gravitation : énergie noire? grand : mission spatiale Euclid (2017?) : cartographie de l univers sombre sur tout le ciel pour voir sa structuration et l évolution de sa structuration qui dépend de l énergie sombre. petit: théorie des cordes capable d englober la physique quantique, qui décrit les particules élémentaires, et la relativité générale, qui décrit la gravitation. 41 Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech

42 Multi stratégie pour comprendre l Univers sombre Supernovae : Vitesses d expansion SNLS MegaCam Fermi Hess/CTA Collision de matière noire dans l Univers Nouvelles particules Rayonnement fossile : Fluctuations, géométrie Planck Oscillation acoustiques : Géométrie BAO Euclid (Hubble) LHC Edelweiss-LSM Particules cosmiques massives interagissant faiblement Lentilles gravitationnelles : Distribution de matière noire

43 PASSEPORT POUR LES DEUX INFINIS 43

44 Un projet: Pourquoi et pour Qui Un livre Un outil pédagogique Un support pour les enseignants LE PROJET Une incitation à «faire» de la science Une porte ouverte sur la physique nucléaire, la physique des particules, l astrophysique et les astroparticules. Une diffusion de la culture scientifique Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 44

45 UN LIVRE RÉVERSIBLE Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 45

46 UN LIVRE RÉVERSIBLE 46

47 vers l infiniment grand Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 47

48 vers l infiniment petit Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 48

49 BILAN QUANTITATIF LIVRE Sortie le 9 septembre ex. destinés à la vente (épuisé au 1 er décembre) ex. "hors commerce» dont : ex. demandés par des enseignants 350 ex. diffusés aux relais d'information et aux "contributeurs Diffusion ciblée de plaquettes de présentation du projet. SITE WEB visiteurs (IP uniques) en novembre. Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 49

50 Ressources à consulter sur le site web Sophie Kerhoas-Cavata "séminaire sur les deux infinis" - CNPE de Golfech 50

51 Merci de votre attention! 51

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