Responsables :
Pierre FAYET (fayet@lpt.ens.fr ; Tél. 01 44 32 37 76 ou 01 47 07 71 46 ; Fax : 01 43 36 76 66)
Denis BERNARD (denis.bernard@ens.fr ; Tél. 01 44 32 37 75 ; Fax : 01 43 36 76 66)
Arnd SPECKA (specka@in2p3.fr, Ecole polytechnique, Tél.01 69 33 55 67 ; Fax : 01 69 33 55 08)

Le but de ce stage de recherche 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 trois 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 enseignements suivants : PHY431, PHY432, PHY554, PHY561, PHY568, PHY575, PHY584.

LES SUJETS D'ÉTUDES

Les sujets de stage proposés se classent en trois catégories :

1/ Théorie des champs et de la matière à l'échelle macroscopique (contact Denis Bernard)
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 (cf. les récentes médailles Fields en relation avec la physique statistique bi-dimensionnelle), et certains sujets de l'option s'y rattachent. D'autres illustrent l'application des concepts de la physique statistique à des domaines à 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 (contact Pierre Fayet)
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, brillamment confirmé par l’expérience, permet d’espérer qu’une unification plus profonde n’est plus en dehors de notre portée. On s’intéresse ainsi à une grande unification entre interactions faibles, electromagnétiques et fortes, à une éventuelle supersymétrie entre bosons et fermions, à l’existence possible de dimensions supplémentaires, tandis que les problèmes posés par la construction d’une théorie quantique de la gravitation ont conduit aux théories des cordes et autres objects étendus. Le LHC, au CERN, devrait nous permettre de savoir ce qu'il en est du fameux boson de Higgs, que l'on s'attend à pouvoir découvrir d'ici la fin 2012, et de continuer à rechercher les particules supersymétriques, ... ; tandis que de nombreuses autres expériences cherchent à mettre en évidence la matière sombre de l’Univers et à percer sa nature...

3/ Physique expérimentale des particules (contact Arnd Specka)
De quoi est faite la matière noire dans l'univers ? Les particules supersymétriques existent-elles ? Quelle est l'origine des masses si différentes des particules élémentaires ? Voici trois, 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. Parmi les stages proposés, certains concerneront des questions d'une grande actualité : oscillations de neutrinos, recherches du 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.

La gamme des sujets proposés est fort étendue, même à l'intérieur de chaque catégorie. Certains sujets théoriques sont directement liés à l'expérience, d'autres consistent en l'étude d'un modèle permettant de comprendre l'essentiel d'un phénomène ; parfois, il faudra trouver la solution d'un problème de mathématiques pures ou appliquées ou encore faire appel à l'ordinateur. En physique expérimentale, le travail peut aller de la mise au point d'un dispositif plus ou moins nouveau à la prise de données et à l'analyse des résultats. Quelques uns des sujets proposés, aussi bien théoriques qu'expérimentaux, comportent une part d'informatique plus ou moins importante (analyse numérique ou simulation sur ordinateur, traitement de l'information, programmation).


DÉROULEMENT DU STAGE DE RECHERCHE

Les élèves sont invités à se regrouper en binômes pour effectuer ces stages, de manière à pouvoir en tirer le meilleur profit. Les monômes ne peuvent être acceptés que dans les cas où la constitution d'un binôme se serait révélée impossible.

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 européens (CERN, DESY) ou des laboratoires étrangers associés (MIT).
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 :

- Effet Hall quantique.
- Statistiques fractionnaires et théories conformes.
- Condensation de Bose-Einstein d'atomes.
- Chaos quantique.
- Fluctuations de courants mésoscopiques.
- Physique statistique et théorie des jeux.
- Solutions exactes en physique statistique hors d'équilibre.
- Algorithmique quantique et physique statistique
- Dynamique de systèmes désordonnés.
- Théorie des supraconducteurs à haute température critique.
- Théorie des champs et magnétisme quantique.
- Hydrodynamique des flagelles dans E. Coli.
- Micro-manipulation de molécule d'ADN.
- Evolution coopérative de populations de bactéries.
- La physique des saveurs lourdes en chromodynamique quantique.
- La recherche des bosons de Higgs au LHC.
- Matière sombre et supersymétrie.
- La supersymétrie et les masses des bosons de Higgs.
- Monopôles magnétiques et dualité.
- Théorie des cordes.
- Exploitation des données du collisionneur LHC du CERN.
- Recherche de dimensions spatiales supplémentaires au LHC.
- Observation d'un phénomène quantique sur 300 km : l'oscillation des neutrinos au Japon.
- Astronomie et polarimétrie gamma avec haute précision angulaire.
- Objets compacts astrophysiques et accélérateurs cosmiques.
- 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.

Dernière mise à jour : jeudi 20 décembre 2012