Course info

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

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

 

The aim of this full-time research internship is to expose students to fundamental research as it is practiced in therorical physics or experimental particle physics laboratories. The internship is designed to students motivated by this kind of research but also to those who, having decided to do something different, want to experience fundamental research during 4-5 months. It will allows them discover what is the researcher's work in these disciplines. Depending on the theme of the internship, it is required to have taken these course: PHY430, PHY431, PHY433, PHY551, PHY553, PHY554, PHY561, PHY566, PHY568, MAT/PHY575, PHY584.

 

SUBJECT OF STUDY

There are three categories of internship topics:

1/ Field theory, statistical physics and mathematical physics (contact Christoph Kopper, Stéphane Munier)

In physics, the wide range of liberty on microsopic scale leads to - on meso- or macroscopic scales - various quantum or statisctical phenomena that we need to understand. Spectacular progress is being made thanks to the use of concepts of field theory and probabilities in quantum or statistic mechanics, and some subjects of the option are related. Other subjects illustrate the application of concepts of field theory and statistical physics to fields that are a priori external to it, for example complex systems. Finally, themes inspired by biology providing intersting subjects for statistic physics.

2/ Theorical particle physics and physics of gravity (contact Christoph Kopper, Cédric Lorcé, Stéphane Munier)

It aims to know the structure and interactions of fundamental particles. A breakthrough has been achieved when all known interactions were discovered () that may be described with a same language: the "jauge theory". The result was brilliantly confirmed by experience, until the discovery of the Higgs boson in 2012 which we will now study in more detail. Subjects of study are, on one hand the study of the precise predictions of the standard model in its various domains, and on the other, its possible extensions in the form of a supersymmetric extension between bosons and fermions etc. The strong interaction analysis often requires non-disruptive methods which apply to the electroweak sector of the standard model. The problems raised by the construction of a quantum theory of gravitation led to string theories other extensive objects. Problems from cosmology related to dark matter and energy that find their reflection in many experience (projects) to highlight them.

3/ Experimental particle physics (contact Mathieu De Naurois, Pascal Paganini)

What is black matter made of in the universe? What are the masses of enigmatic neutrinos? What is the origin of such different masses of elemantal particles? Is there only one Higgs particle? Here are four of the many questions raised today by particle physicists, theorists and investigators. Experimental information, passing by the new phenomenon discovery or by precision measures, is essential to inspire and test theory. Major experimental programs are currently being designed, realized or operated by international collaborations. All use advanced techniques in various areas: fast electronics, informatics in real time, data processing, power laser or physics of particle detector. Students who are motivated by the main questions in physics will have the opportunity to experiment. They will generally be supervised as part of a team, which will entrust them with the guided data analysis from experiences or simulations. Among the internships, some are about topical issues: neutrinos oscillations, research on Higgs boson at the LHC, fundamental symmetries, particle astrophysics. Other internships could focus on development of detectors or the study of future acceleration techniques.

 

RESEARCH INTERNSHIP PROGRESS

Students are encouraged to form duos to do their internship, in order to benefit from exchanges between them.

Subjects of study can lead to an original research work and publication, they require a preliminary introduction during a more or less time depending on the subject.

This acquisition of complementary skills to the Ecole's teaching will take place during the internship, but can also be guided by internship supervisors as needed.

Internships will take place in laboraties in the Paris region, province or abroad. Some of experimental internships include data allowing collection in major accelerators (CERN, Japan), other in foreign academic laboratories: Belgium, Canada, Germany, United Kingdom, United States (work language: English).

Supervisors and professors are at your disposal to give you precisions on each subject proposed () and eventually them to your liking. they are also willing to look into the possibility of organizing internships on other subjects that motivated students may wish to study, or experimental internships at the CERN (require English practice).

According to the time necessary to in subject of internship offered, it is mandatory to choose your subject and discuss it well in advance with your future internship director and option supervisor.

For your information, here are some subjects proposed in the early years:

• Renormalization theory
• Gravitation theory
• String theory
• Supersymmetry
• Random matrices
• Statistic physics balance
• Stochastic quantum equations
• Micromanipulation of DNA molecule
• Black hole capture by a neutron star
• Cosmic neutrinos
• Dark matter
• Meson desintegration and physics beyond the standard model
• Higgs boson
• Desintegration of the Higgs boson in two tau leptons
• Observation of a quantum phenomenon for 300km: neutrinos oscillation in Japan
• Cosmic photons of extremely high energy and Lorentz violation
• Beam test at the CERN of highly granular for a futur e+e- linear collider
• Developing today the tomorrow's particle accelerators: laser-plasma acceleration
• Gamma-ray burst and cosmic collisions
• Comsic collision development
• Detection of black matter in liquid argon
• Small-scale gravity

 

 

Course language: French