Descriptif

Responsables :

Mathieu De Naurois (mathieu.de-naurois@polytechnique.edu, Ecole polytechnique, Tél. 01 69 33 55 97)
Christoph Kopper (christoph.kopper@polytechnique.edu, École polytechnique, Tél. 01 69 33 42 61)
Cédric Lorcé (cedric.lorce@polytechnique.edu, École polytechnique, Tél. 01 69 33 42 14)
Stéphane Munier (stephane.munier@polytechnique.edu, Ecole polytechnique, Tél. 01 69 33 42 85)
Pascal Paganini (pascal.paganini@polytechnique.edu, Ecole polytechnique, Tél. 01 69 33 55 62)

Le but de ce stage de recherche, effectué à temps complet, est de mettre les élèves en contact avec la recherche fondamentale telle qu'elle se pratique dans les laboratoires de physique théorique ou de physique des particules expérimentale. Le stage s'adresse évidemment aux élèves motivés pour ce type de recherche, mais aussi à ceux qui, ayant décidé de faire tout autre chose, désirent connaître durant 4-5 mois ce qu'est la recherche fondamentale. Il leur permettra de découvrir en quoi consiste le travail du chercheur dans ces disciplines. Selon l'orientation de la thématique du stage, théorique ou expérimentale, il est nécessaire d'avoir suivi certains des enseignements suivants : PHY430, PHY431, PHY433, PHY551, PHY553, PHY554, PHY561, PHY566, PHY568, MAT/PHY575, PHY584.

LES SUJETS D'ÉTUDES

Les sujets de stage proposés se classent en trois catégories :

1/ Théorie des champs, physique statistique et physique mathématique (contact Christoph Kopper, Stéphane Munier)

En Physique, le très grand nombre de degrés de liberté à l'échelle microscopique donne lieu, aux échelles méso- ou macroscopique, à des phénomènes quantiques ou statistiques variés qu'il s'agit de comprendre. Des progrès spectaculaires sont accomplis grâce à l'utilisation des concepts de théorie des champs et de probabilités en mécanique quantique ou statistique, et certains sujets de l'option s'y rattachent. D'autres illustrent l'application des concepts de la théorie des champs et de la physique statistique à des domaines a priori extérieurs à celle-ci, par exemple les systèmes dits complexes. Enfin, les thèmes inspirés par la biologie fournissent des sujets très intéressants pour la physique statistique.

2/ Physique théorique des particules et de la gravitation  (contact Christoph Kopper, Cédric Lorcé, Stéphane Munier)

Il s’agit de connaître la structure et les interactions des particules fondamentales. Une percée spectaculaire a été accomplie lorsque l’on a découvert que toutes les interactions connues (fortes, électromagnétiques, faibles et gravitationnelles) peuvent être décrites avec un même langage, celui des « théories de jauge ». Ce résultat a été brillamment confirmé par l’expérience, jusqu'à la découverte du bosons de Higgs en 2012 dont il s'agit maintenant d'étudier plus précisément les propriétés. Les sujets de recherche dans le domaine sont d'une part l'étude des prédictions précises du modèle standard dans ses différents domaines, et d'autre part ses possibles extensions sous forme d'une éventuelle extension supersymétrique entre bosons et fermions etc. L'analyse des interactions fortes requiert souvent des méthodes autres que perturbatives lesquelles s'appliquent au secteur électrofaible du modèle standard. Les problèmes posés par la construction d’une théorie quantique de la gravitation ont conduit aux théories des cordes et autres objets étendus. Des problèmes provenant de la cosmologie liés par exemple à la matière et à l'énergie sombre trouvent leur reflet dans de nombreux (projets d') expériences cherchant à les mettre en évidence.

3/ Physique expérimentale des particules (contact Mathieu De Naurois, Pascal Paganini)

De quoi est faite la matière noire dans l'univers ? Quelles sont les masses des énigmatiques neutrinos? Quelle est l'origine des masses si différentes des particules élémentaires ? Est-ce qu’il existe une seule particule de Higgs ? Voici quatre, parmi les plus brûlantes, des nombreuses questions que se posent les physiciens des particules, théoriciens comme expérimentateurs, aujourd'hui. L'information expérimentale, qu'elle passe par la découverte de nouveaux phénomènes ou par des mesures de précision, est indispensable pour inspirer et tester la théorie. De grands programmes expérimentaux sont en cours de conception, de réalisation ou d'exploitation, par des collaborations internationales. Tous utilisent des techniques de pointe dans divers domaines, électronique rapide, informatique en temps réel, traitement des données, lasers de puissance ou physique délicate des détecteurs de particules. Un élève motivé par les grandes questions de physique aura l'opportunité de se confronter à l'expérimentation. Il sera généralement encadré au sein d’une équipe qui lui confiera le dépouillement guidé de données issues d’expériences ou grandes simulations. Parmi les stages proposés, certains concerneront des questions d'une grande actualité : oscillations de neutrinos, recherches sur le boson de Higgs au LHC, symétries fondamentales, astrophysique des particules. D'autres stages pourront porter sur les développements des détecteurs ou l'étude des techniques d'accélération du futur.

DÉROULEMENT DU STAGE DE RECHERCHE

Les élèves sont encouragés à se regrouper en binômes pour effectuer ces stages, de manière à pouvoir tirer le meilleur profit aussi d'échanges entre eux.

Les sujets de stage peuvent, dans les meilleurs cas, aboutir à un travail de recherche original et à une publication, ils nécessitent de toute manière une initiation préliminaire durant un temps plus ou moins long selon les sujets.

Cette acquisition de compléments à l'enseignement de l'École se fera durant le stage, mais pourra aussi selon les besoins être guidée par les responsables du stage de recherche.

Les stages auront lieu dans les laboratoires de la région parisienne, de province ou à l'étranger. Certains stages expérimentaux comportant des prises de données permettent des séjours auprès des grands accélérateurs (CERN, Japon),  d'autres pourront être effectués dans des laboratoires universitaires étrangers : Allemagne, Belgique, Canada, Etats-Unis, Royaume-Uni (langue de travail: anglais).

Les responsables et enseignants sont à votre disposition pour vous donner toutes précisions sur chacun des sujets proposés (style de travail, proportion entre initiation et recherche originale, etc...) et les infléchir éventuellement selon vos goûts. Ils sont également prêts à étudier la possibilité d'organiser des stages sur d'autres sujets que des élèves particulièrement motivés souhaiteraient étudier, ou des stages expérimentaux en particulier au CERN (pratique de l'anglais nécessaire).

Compte tenu du temps de maturation nécessaire pour "entrer" dans les sujets de stages proposés, il est impératif de choisir votre sujet et d'en discuter avec votre futur directeur de stage et avec le responsable d'option, suffisamment à l'avance.

A titre indicatif, voici quelques sujets de stages proposés au cours des années précédentes :

- Théorie de la renormalisation
- Théorie de la gravitation
- Théorie des cordes
- Supersymétrie
- Matrices aléatoires
- Physique statistique hors d'équilibre
- Equations quantiques stochastiques
- Micro-manipulation de molécule d'ADN
- Capture d'un trou noir par une étoile à neutrons
- Neutrinos cosmiques
- Matière sombre
- Désintégration des mésons et physique au-delà du modèle standard
- Le boson de Higgs
- Désintégration du boson de Higgs en deux leptons tau
- Observation d'un phénomène quantique sur 300 km : l'oscillation des neutrinos au Japon
- Photons cosmiques de très haute énergie et violation de l'invariance de Lorentz
- Test en faisceau au CERN de calorimètres super-granulaires pour un futur collisionneur linéaire e+e-
- Développer aujourd'hui les accélérateurs de particules de demain : accélération laser-plasma
- Sursauts gamma et chocs cosmiques
- Développement d'un polarimètre cosmique
- Détection de matière noire dans de l'argon liquide
- Gravité à petites échelles

Langue du cours : Français

Credits ECTS : 20