Physique des particules - IPNL - IN2P3

LA PHYSIQUE DES PARTICULES
ou DES HAUTES ENERGIES à
l’IPNL
50 ans de l’IPNL – 13 juin 2013

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LES DÉBUTS ou la ‘RECOIL
COLLABORATION’ au CERN (~1971-1980)
50 ans de l’IPNL – 13 juin 2013

Les Débuts au CERN
• Vers ~1972: d’un point de vue expérimental, IPNL dédié essentiellement à la physique
nucléaire et ‘péri-nucléaire’,
• Deux professeurs intéressés par la physique des hautes énergies: J.P. BURQ (LAL-SC-2, réactions
à petit nb de nucléons) et M. LAMBERT (réactions nucléaires à basse énergie au Heafely 4 MeV
protons),
• Des ‘jeunots’ disponibles avec la même motivation: B. Ille (libéré de sa thèse de 3ième cycle),
puis J.P. Martin pour sa thèse de 3ième cycle, rejoints par M. Chemarin (CNRS, libéré de sa
thèse d’état et de l’appel de sa marraine CNRS Mme Langevin IPNO pour approfondir le ‘pb à
3 et 4 corps’) et M. Chevallier (CNRS récent)
• Une équipe très dynamique de Clermont-Ferrand à la recherche de collaborateurs pour des
manips au CERN (SC): M. Querrou et al,
• Des services techniques et personnels ITA à la hauteur des enjeux: une très bonne expertise
du labo en électronique analogique et détection par diodes Si (Caldéro et service électronique.;
M. Goyot et service d’instrumentation; des techniciens de groupe toujours disponibles); des
accélérateurs (Synchro + Heafely) pour développer des R&D originaux/autres labos; technicité
et adaptabilité
• Le CERN n’est pas loin, attractif, beaucoup d’entre nous y ont fait des visites et stages d’été
qui les ont fortement marqués
• Les ingrédients étaient là, l’aventure H.E.E. pouvait commencer … elle continue
encore

Le contexte de l’époque en H.E.
Au début des années 1970 (ma vision personnelle et incomplète):
- Le modèle des quarks faisait une pause (il reviendra avec force après 1974)
- Gargamelle n’avait pas encore livré son image du courant neutre (époque des ‘courants
alternatifs’)
- On parlait beaucoup de résonances isobariques (N*, Δ, …) et d’interaction forte: les pôles de
Regge, le Pomeron, la borne de Froissart étaient d’actualité,
- La théorie électrofaible et QCD commençaient à être enseignées,
- Certains prédisaient le Higgs ( publis 1964)
vers 10 GeV …
Desy report/79-027
- On codait avec des cartes perforées, en Fortran
- Charpak développait au CERN de grandes chambres multifils (1968)
- Des grandes chambres à bulles étaient opérationnelles, mais les manips électroniques se
développaient rapidement, avec leur déclenchement sélectif
- etc …

Deux expériences au PS
• L’initiation: expérience P17 Hall Est (du sport !): Clermont-Lyon-Strasbourg (~1972-1974)
(Querrou, Berthot, Vazeille, Gardès, Méritet, Burq, Lambert, Chemarin, Ille, Fridman, Voltolini, Gerber, Pauty,
Peynet, Martin)
– Diffusion élastique cohérente p-He4 à 24 Ge/c à petit angle et production diffractive de résonances N*:
– modèle de Glauber, étude des résonances N*, idée d’utiliser l’He4 comme chambre nucléaire pour obtenir
les sections efficaces N-N*, N*-N* etc … Thèse d’état de F. Vazeille (Clermont)
– Faisceau primaire de protons (10 12 /burst) sur gaz He 4 , vers 90° un bras télécommandé de télescope E-ΔE Si
de recul, électronique ‘Goulding et sa méthode d’identification en ligne’, première mise en ligne d’un DAQ
par ordinateur (HP): mesure précise du recul et de son identification; bataille acharnée contre les neutrons
(entre autre)
• L’extension internationale: expérience S143 Hall Sud: Clermont-Lyon-Uppsala-Varsovie; noyau de la ‘recoil
collaboration’ du CERN (~1975-1977)
(Badelek, Gajewski, Nassalski, Berthot, Querrou, Vazeille, Gardès, Méritet, Burq, Lambert, Chemarin, Chevallier,
Ille, Martin, Kullander, Ekelof, Grafstrom, Dahlgren, Hagberg, Hallgren, Jonsson, G. Fâldt, Gugelot, Doré, Douhet,
Cotte, Maury) avec H.J. Weber (visiteur phéno, Phys. Rep)
– Recherche de N* préexistants dans les noyaux (Helium dans notre cas):
– idée = utiliser des pions de 5 GeV/c (hall sud) pour knockout des ces isobars; d’une probabilité annoncée
précipitamment à plusieurs % (Goldhaber 1973), on l’a trouvé inférieur à 1% !
– Faisceau secondaire de pions sur gaz He4 à 10 atm, un spectromètre de recul sophistiqué de grand angle
solide équipé de chambres à fils (trajectographe recul à 4 plans de fils) et de diodes silicium en télecsope E-
ΔE de grande surface suivi de 2 plans de scintillateurs (le tout dans un dispositif ‘Gemini’ d’Uppsala).
– Responsabilité de Lyon: spectro de recul (MWPCs, E-ΔE, électronique frontale) et acquisition HP-CAMAC
– Première expérience ‘complète’, avec différentes techniques de détection, de l’analogique et du
numérique, multiplication des voies électroniques gérées par l’ordinateur HP en ligne; ce dispositif complet
à fait l’objet de la thèse de 3ième cycle de J.P. Martin.
– Le dispositif expérimental, l’ensemble des données confrontées aux modèles physiques (G. Fäldt et H.J.
Weber) a fait l’objet de la thèse d’état de M. Chevallier

P17
π - + He 4 π - ’ + T + X
S143: un spectro de recul déjà sophistiqué

Deux expériences au SPS (50 à 350 GeV)
• Fruits de la collaboration : Clermont-Leningrad(St Petersbourg)-Lyon-Uppsala, (~1975-1983)
Clermont: Querrou, Verbeken, Doré, Maury
Leningrad: A. Vorobiev, Shchegelski, Korolev, Tkach, Kashchuk, Denisov, Kulikov, Spiridenkov
Lyon: Burq, Lambert, Chemarin, Chevallier, Ille, Martin, Fay, A. Brenier
Uppsala: Ekelof, Kullander, Grafström, Gustafsson, Hagberg
• Parmi les premières expériences du SPS: mesure de sections efficaces élastiques hadrons-proton
dans la région d’interférence Coulomb-Nucléaire: WA9 (Hall Ouest) et NA8 (Hall Nord
– But: mesurer les sections efficaces différentielles p,π,K,pbar sur le proton à très petits angles,
dans la région de l’interférence coulomb – nucléaire pour une détermination très précise (1%)
de ρ=Ré(Amp)/Im(Amp). Tests des relations de dispersion (validité du principe de causalité
microscopique), prévision du comportement des sections efficaces totales aux énergies
asymptotiques, échange de Pomeron …
– Technique de mesure précise du proton de recul (IKAR de Leningrad) associée à la mesure de la
particule projectile diffusée sur l’avant (en fait dans le faisceau) grâce à un spectromètre de
chambres à fils de grande précision chargé de tuer le faisceau’ au niveau trigger !
– Responsabilité de Lyon: spectro avant (chambre à fils, automatisation) et acquisition HP
– Premières sections efficaces πp de 50 à 350 GeV/c, premières mesures de ρ, etc …Thèses d’état
de B. Ille (1979) et de J.P. Martin (1981) + Thèse de 3ième cycle de J. Fay (p sur He4) et A. Brenier
Et pendant ce temps là … s’élaborait une expérience originale et risquée, fruit d’une tout autre
collaboration internationale qui mettait un terme à ce cycle de la ‘Recoil Collaboration’ …

NA8 (Hall Nord CERN 1976)
Tord Ekelöf ~ 1,90 m (Uppsala)
Anatol Kashuk et son SDPU
ancêtre cablé des FPGA

IKAR (Gatchina-Leningrad-URSS)

NA8-Un bloc de MWPC JP Burq et un barbu

NA8 Spectromètre avant
Professeur Michel Querrou (UBP-LPC Clermont)

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UNE EXPÉRIENCE PARTICULIÈRE
ou LA FIN DES ISR (~1980-1983)
50 ans de l’IPNL – 13 juin 2013

La dernière expérience des ISR: R704
• Fruit de la collaboration : Annecy, CERN, Gênes, Lyon, Oslo, Rome, Turin, Strasbourg (~1981- 1985)
Annecy: M. Poulet, Baglin, Bassompierre, C. Broll, Guillaud, JC Brient /CERN: A. Lundby, L. Leistam, Mouellic …
Gënes: M. Macri, Santroni, Bozzo, … /Lyon: Burq, Lambert, Chemarin, Chevallier, Ille, J.Fay, Tij
Oslo: B. Stugu, Skjevling/ Rome-La Sapienza: F Ferroni, N. Pastrone …/ Strasbourg: B. Escoubès, J.M. Brom
Turin: R. Cester, Menichetti, Marchetto, …. Soit une quarantaine de physiciens
• Spectroscopie du charmonium c-c bar
– Production d’états charmonium c-c bar dans l’annihiliation proton-antiproton aux ISR.
– Les antiprotons, stockés et refroidis dans un anneau ISR, amenés à une énergie de ~5.8 GeV
rencontraient une cible d’hydrogène sous forme de jet moléculaire gazeux; les états ainsi formés
étaient détectés par leur désintégration électromagnétique pour éviter le fond hadronique
dominant: les modes e+e-, e+e--γ, γγ (par exemple: ppbar ->χ -> γ J/ψ -> e+e-γ)
– Responsabilité de Lyon: conception et construction d ’ un précalorimètre sandwich Pbscintillateurs
(10 couches), système de calibration monitoring à Led+fibres optiques, monitorage
de la luminosité via dispositif de recul à télescopes Si, trigger rapide.
– Thèse d’état de J. Fay (médaille de bronze) + 3ième cycle de M. Tij
– Observation de 30 candidats χ1 et 50 χ2, ‘observation pour la première fois du 1P1 ?‘,
observation du ηc et mesure de son rapport de branchement en γγ… L’arrêt des ISR pour cause
de stockage des aimants du LEP n’a pas permis de compléter la faible statistique et de valider
peut-être le 1P1 … cette expérience a continué au Tevatron … sans nous.
Et pendant ce temps là s’élaborait une expérience monumentale (pour nous), fruit d’une
collaboration internationale à forte composante américaine:
on entrait dans l’ère des collisionneurs …

R704 – Cryogénie du jet proton
Mario Macri (INFN-Gênes)

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LA GRANDE AVENTURE DU LEP
(~1982-2002)
50 ans de l’IPNL – 13 juin 2013

L3 en construction Puits P2 (ALICE)
1988

3-1
Changement d’échelle: L3 et Delphi
Au début des années 1980, le CERN avait choisi de construire le LEP, un collisionneur e + e -
de 100 GeV dans sa première phase (LEP100) et 200 GeV dans une seconde phase
(LEP200), collisionneur de 27 km de circonférence équipé de 4 gros détecteurs
généralistes: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL. Il s’agissait d’étudier avec une précision sans
précédent la théorie électrofaible, d’ouvrir une nouvelle région en masse, de traquer le
boson de Higgs recherché depuis une bonne vingtaine d’années déjà, de trouver un
éventuel toponium et bien d’autres choses encore …
Le laboratoire s’est engagé dès 1982 dans l’expérience L3 conduite par S. Ting, avec le
LAPP (M. Vivargent). Seulement 2 contributeurs français à L3: Annecy et Lyon.
L’ensemble des autres laboratoires IN2P3/CEA s’était réparti sur ALEPH, DELPHI et OPAL.
Plus tard, en 1989, le laboratoire est engagé sur des analyses de DELPHI avec l’arrivée et
la contribution d’éminents physiciens membres de DELPHI.
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50 ans de l’IPNL – 13 juin 2013
L3: construction et analyses
JP Burq, M. Chemarin, H. El Mamouni, J. Fay, B. Ille, I. Laktineh, P. Lebrun, JP Martin, C. Souga
Thèses: C. Buisson, H. Chakir, M. ElKacimi, JP Ernenwein, D. Gelé, G. Grenier, JF Parriaud, B. Tellili,
D. Teyssier / une trentaine de stagiaires
L’IPNL s’est focalisé sur le calorimètre électromagnétique à cristaux de BGO (11000
voies !) destiné à avoir une très bonne résolution en énergie (~1% >10 GeV):
-Responsabilité de l’électronique frontale embarquée (PAC, cartes frontales,
connectiques associées, intégration) et des Active Lead Ring (ALR) sur l’avant,
-- Caractérisation des photodiodes et cristaux, des prototypes, des dommages par
radiation; lien étroit avec des physiciens du LPCML, pionnier du scintillateur BGO,
--Contribution au monitorage des radiations in situ par réaction nucléaire,
--Radiographie des cristaux par cosmiques (banc spécialisé au CERN).
-Analyses: en grande partie appuyées sur notre expertise ECAL (e - , e + , γ)
-- nombre de neutrinos légers (2.98 +/-0.07 +/- 0.07) mesure directe via single γ,
-- recherche Higgs standard, Higgs à 2 doublets, Higgs invisibles
- M H > 112 GeV,
--recherche particules supersymétriques (charginos, neutrinalos) via γ unique
-- rayons cosmiques: flux, sources ponctuelles de γ, sursauts γ, ombre de la lune,
flux p/antip …

L3 le montage du ECAL BGO (1987)

1 ier Candidat He + e - (1992) et dernier H (2000)
1 062 000 désintégrations
hadroniques du boson Z
M H = 67,6 0,7 GeV/c 2
M H = 115 3 GeV/c 2

A l’Hôtel de Ville Réunion L3 (1999)
Mme Comparini JPM G. Coignet S. TING (prix Nobel 1976)

DELPHI

Événement 4 jets (juillet 2000)
TPC

3-3
ANALYSES DELPHI
P. Antilogus, L. Chaussard, S. Françon, I. Laktineh, L. Mirabito, V. Pascal, G.Smadja, F.
Zach + S. Katsanevas, JE Augustin
R. Barbier, A. Duperrin, P. Verdier, N.Ghodbane, J.D. Durand
Avec l’arrivée au laboratoire de G. Smadja (1989) qui avait participé à la construction
de DELPHI dans une vie antérieure (TPC), renforcé un peu plus tard par JE Augustin
(ancien SP de DELPHI et contributeur LAL de la TPC) et de S. Katsanevas, s’est constitué
un groupe lyonnais d’analyse, avec de nombreux thésards.
Les analyses étaient concentrées sur
- la physique des saveurs lourdes (propriétés des mésons beaux, taux de
production du charme, du baryon Λ b , l’asymétrie électrofaible)
- la mesure de M W
- la recherche de particules supersymétriques (sans et avec violation de R P )
- le développement d’outils de simulation (SUSYGEN)
- M H > 114.3 GeV
MERCI à tous ceux qui nous ont accompagnés dans ces activités depuis le début
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LE TEMPS PRÉSENT
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Panorama de la physique des particules à la fin du LEP
Le Modèle Standard
•Inclus trois des quatre interactions
fondamentales au sein d’un même
formalisme.
•Modèle testé avec une grande précision
•L’hypothétique mécanisme de Higgs permet
de briser la symétrie électrofaible et
d’expliquer comment les particules acquièrent
une masse.
•Même si à cette échelle d’énergie, le modèle
standard est pleinement valide, des indices
plaident en faveur d’une nouvelle physique au
delà de ce modèle.
• La gravité n’est pas incluse
• Pas de candidat matière noire
• …
La nouvelle physique est probablement
cachée à l’échelle du TeV.
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LE TEMPS PRÉSENT : LE LHC du CERN,
CMS (~1990- …)
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L’entrée dans la collaboration CMS
Encore un changement d’échelle (d’énergie et de taille)
LHC : Collisionneur proton-proton E=14TeV
•Les précurseurs : D. Contardo, M. Bedjidian, R. Haroutunian :
Ions lourds au LHC (1990)
•B. Ille, H. El Mamouni, J. Fay : Calorimètre à cristaux.
•G. Smadja, D. Contardo, L. Mirabito : Trajectographe
IPNL signataire de la lettre d’intention en 1992
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4-1
CMS
Principaux but de physique
•Recherche du boson de Higgs
•Physique au delà du
modèle standard
Calorimètre électromagnétique
ECAL 75 848 Cristaux scintillants PbWO 4
TRAJECTOGRAPHE
Détecteurs silicium à micropistes
Surface ~200m 2
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Poids: 14,000 t
Diamètre : 15 m
Longueur : 28 m
Champ magnétique: 4 Tesla

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CMS : R&D et construction
Phase R&D (1992-1999) :
•Trajectographe : MSGC (Compteurs proportionnels à gaz
avec piste métalliques gravées sur un substrat de silicium)
•Calorimètre : Choix du cristal (CeF3 ou PbWO4) et des
photosenseurs (Photodiode à avalanche)
Phase de construction (2000-2007) :
•Trajectographe :
• Assemblage de 3000 modules
• Intégration et qualification complète d’un
bouchon (2 10 6 canaux)
•Calorimètre :
• Construction, étalonnage de 65000
capsules (5 ans)
• Déverminage de 8000 ampli multigain +
étalonnage
Le bouchon
lyonnais
capsules
Remarque: liste très réductrice
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4-2
LA JOINTURE LEP – LHC: DØ au TEVATRON
du FERMILAB (~2000-2011…)
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4-2
DØ
En 2000, L’IPNL rejoint l’expérience DØ (initié par Jean-Paul Martin, Steve Muanza
et Patrice Lebrun)
Le Tevatron est alors l’accélérateur le plus puissant du monde(p-pbar, 1.96 TeV)
But :
•Préparation des analyses LHC dans un environnement
hadronique similaire
Activités :
•Processing des données au CCIN2P3
(contribution de la France à D0)
•Analyses de données:
• SUSY : squarks et gluinos
• Higgs (2HDM) : H➝ tm
• Mesure de précision de la masse du W (et
Etalonnage calorimètre EM)
M W =80.375 ± 0.023 GeV
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L’ÈRE DU LHC
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4-3
Les premières collisions du LHC
• En 1991 : Approbation du LHC
Date de démarrage prévue : 1999
• 2010 : Premières collisions à
7TeV le 30 mars.
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4-3
Les activités d’analyse
Des activités d’interêt général :
•Jet et énergie manquante
•Générateurs Monte-Carlo
•Calibration des photons
•Système de déclenchement
Riche programme de physique
•quark top MS et au delà
•Recherche de particules supersymétriques
•Mesures de précision du modèle standard
•Recherche du boson de Higgs à basse masse
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4-3
Le boson de Higgs
La masse est un concept omniprésent en physique, or au sein du modèle standard
les particules sont toutes de masse nulle, sinon les invariances de jauge (symétries
de la théorie) sont explicitement brisées.
➜ Contraire aux résultats expérimentaux
La solution la plus simple est (Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble 1964) :
Toutes les particules sont de masse nulle.
Un champ scalaire imprègne l’univers. Les particules interagissant avec ce
champ acquièrent une masse (sorte d’effet inertiel). Plus l’interaction avec
ce champ est intense, plus la masse est élevée.
Comme tous les champs, le champs de Higgs doit avoir un “quanta” (en d’autres
termes, une particule associée), qui est nommé le “boson de Higgs”
A l’IPNL, on le cherche dans son mode de désintégration H➜gg
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4-3
La découverte du boson de Higgs
CMS : 4 juillet 2012
Signal : Boson de Higgs gg
Bruit de fond : gggg, qqgg
Couronnement de 30 années d’effort pour tous les personnels du laboratoire
impliqué à un moment dans la construction et l’exploitation des détecteurs
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LE FUTUR : ILC (2007-…) et HL-LHC (2009-…)
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ILC (International Linear Collider)
Groupe créé en 2007 sous l’impulsion de I. Laktineh
Rejoint la collaboration internationale CALICE dont l’objectif est le développement d’une
nouvelle génération de calorimètres ultra-granulaires pour répondre aux défis de précision
fixés pour le futur collisionneur.
But : Construire un Calorimètre hadronique de grande granularité (pour optimiser la résolution
sur l’énergie des jets) à base de Glass RPC.
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5
HL-LHC (haute luminosité)
A l’horizon 2020, forte augmentation de la luminosité
du LHC phase HL-LHC
Dans ces conditions d’opération, le trajectographe de
CMS devra être entièrement reconstruit pour faire face
à l’accroissement de la multiplicité des particules
produites et de la dose de radiation intégrée. Dans cette
perspective, le groupe CMS a lancé un programme de
R&D en 2009
LHC
HL-LHC
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LA PHYSIQUE DES PARTICULES THEORIQUE
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Activités théoriques
Thématiques :
Phénoménologie : Boson de Higgs au LHC (coll. CMS), modèles Little Higgs, Supersymétrie,
Extra dimensions et model building, Leptogénèse, Matière sombre, Neutrinos, Saveurs
leptoniques et des quarks, États liés de quarks, Physique du spin
Formelles : théorie des champs et géométrie non-commutative, compactification, symétries
Historique en physique théorique des particules
•M. Giffon (depuis les années 60) Pomeron, physique hadronique
•M. Kibler (depuis les années 60) mécanique quantique, symétries et groupes
•X. Artru (depuis les années 80) physique des quarks, spin et hadronisation
•F.Gieres (depuis 1992) mécanique quantique et théorie quantique des champs
•A. Deandrea (depuis 2000) physique aux collisionneurs, phénoménologie électrofaible
•S. Davidson (depuis 2004) physique de la saveur leptonique, leptogénèse
•G. Cacciapaglia (depuis 2008) dimensions supplémentaires, fermions vector-like
•D. Tsimpis (depuis 2010) théorie des cordes, compactification
Fortes interactions avec les groupes expérimentaux du laboratoire
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40 années de recherche en physique
des hautes énergies
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Depuis 40 ans
Equilibre entre les activités d’analyse de données et celles de
construction de détecteurs qui sont les deux piliers de la recherche
expérimentale en physique des particules.
Apport essentiel des services techniques du laboratoire
Activité théorique de qualité et diversifiée
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Constituants élémentaires en 1972
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Constituants élémentaires en 2013
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Candidat H ➜ gg
Merci à tous ceux qui ont
contribué à cette aventure.