Transcript Partie 1

Entrée dans le monde
du LHC
Lycée Élie Faure, Lormont;
Le 22 février 2013.
JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1.
Plan
Les constituants élémentaires
Détection de l’infiniment petit
Introduction à la physique du LHC
- Le Higgs ou le mystère de la masse
- Le plasma quark-gluon ou l’origine de l’univers
- Les particules «Belles» ou la disparition de l’antimatière
Les constituants élémentaires
Réalisé d’après un extrait du
film « Power of ten » de
Charles et Ray Eames (1977).
Les constituants élémentaires
Les puissances de dix
Les constituants élémentaires
L’atome
Un atome contient un noyau situé en son centre
et des électrons qui "tournent" autour du noyau.
Noyau atomique
Électron
De l’ordre de 10-15m
< 10-18m
Masse
1,7 10-27kg x A
9,1 10-31kg
Charge
+
-
Taille
Taille de l'ordre de 10-10m
Comment sont liés les électrons au noyau ?
Deux charges de signe contraire s’attirent.
Interaction électromagnétique
Les constituants élémentaires
L’atome
Il faut autant d’atomes pour faire une
orange que d’oranges pour remplir la Terre.
Les constituants élémentaires
L’atome
Le volume de l'atome est constitué
de 99,9999999999999% de vide !
Si on pouvait enlever tout le vide des atomes :
* La Lune aurait la taille d’une sphère de
42m de rayon.
* On pourrait faire tenir 20 porte-avions dans
une tête d’épingle (sphère de 1mm de rayon).
Les constituants élémentaires
Le noyau
Un noyau contient des protons et des neutrons.
Proton
Taille
Neutron
10-15m
10-15m
Masse
1,7 10-27kg
1,7 10-27kg
Charge
+
0
Taille de l’ordre de 10-15m
Comment sont liés les protons et neutrons entre eux ?
Deux charges de même signe se repoussent.
Interaction électromagnétique
Interaction Forte
Les constituants élémentaires
Le noyau
Le noyau est extrêmement dense.
La densité de la matière du noyau est de 230 000 tonnes par millimètre cube !
Masse
50 X
Dé rempli
de protons
et neutrons
Pyramide de Kheops
Les constituants élémentaires
Le noyau
La masse d’un noyau est inférieure à la
somme des masses de ses constituants !
La masse ne se conserve pas !
Masse
Noyau
<
C’est grâce à cette différence de masse que le soleil nous éclaire.
Neutrons
Protons
Les constituants élémentaires
En résumé
Physique nucléaire et
physique des particules
Détection de l’infiniment petit
Détection de l’infiniment petit
Comment observe t-on des objets de taille différente ?
Détection de l’infiniment petit
Le principe
Image : On peut tirer des conclusions sur la forme d’un objet en
regardant comment des projectiles sont déviés.
Exemples :
C’est la même chose en physique
nucléaire et physique des particules.
Détection de l’infiniment petit
Le principe
Par diffusion :
On envoie des particules sur la matière et
on regarde comment elles sont déviées.
Découverte du noyau atomique (Rutherford, Geiger et Marsden, 1911)
Détection de l’infiniment petit
Le principe
Par extraction :
matière
particules
accélérées
détecteur
On envoie des particules sur la matière et on
regarde les nouvelles particules qui « ressortent ».
Découverte de l’électron (J.J. Thomson 1897)
Découverte du neutron (M. Chadwick 1932)
Détection de l’infiniment petit
La découverte du noyau atomique
En 1904, THOMSON propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le
pudding de Thomson".
Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement
positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".
Détection de l’infiniment petit
La découverte du noyau atomique
1911 : L’expérience de Rutherford
Des particules  émises par une source de radium radioactive (enfermées dans un
boîtier en plomb) se propagent sans déviation.
Détection de l’infiniment petit
La découverte du noyau atomique
Si on interpose une très mince feuille d'or (0,6m) sur le trajet des particules :
La grande majorité des particules n’est pas déviée seul un très
petit nombre (1 sur 10 000) se trouvent dévié. D’autres encore
(1 sur 100 000) rebondissent, et sont renvoyées vers l'arrière.
Détection de l’infiniment petit
La découverte du noyau atomique
Le modèle de JJ Thomson n’expliquait pas l'observation.
La charge positive devait être concentrée en son centre.
La majorité des particules alpha n’étaient pas déviées.
Les déviations vers l’arrière étaient extrême rares.
Noyau
L’atome est
essentiellement
constitué de vide
Le noyau est très petit
Détection de l’infiniment petit
Un paramètre important : l’énergie
ee-
Noyau atomique
Faible énergie
Atome
e-
e-
Protons et neutrons
Énergie moyenne
Noyau
e-
eQuarks
Grande énergie
Proton
Pour voir des détails de plus en plus fins, il
faut fournir de plus en plus d’énergie.
Détection de l’infiniment petit
Collisions frontales
Au lieu de lancer un projectile sur une cible fixe, on accélère deux
projectiles que l'on fait se heurter de plein fouet (collision frontale).
Création de nouvelles
particules
Extrait du documentaire « C’est
pas sorcier : Matière et univers »
diffusé sur France 3 (2009).
Détection de l’infiniment petit
Un exemple d’accélérateur : Le LHC
Détection de l’infiniment petit
Un exemple d’accélérateur : Le LHC
Le LHC : les énergies les plus grandes jamais atteintes
Le LHC accélère des protons jusqu’à
une vitesse de 0.999999991 c !!!
Cela représente l’énergie cinétique d’un moustique
en vol, ici concentrée dans un volume mille
milliards de fois (10-12) inférieur au moustique.
Pour donner à un proton une telle
vitesse, il faut un champ électrique
équivalent à 7 1012 piles de 1 V.
Sept mille milliards
Dans chaque anneau circule environ 3000 paquets contenant chacun
1011 protons (l’énergie du faisceau équivaut à 120 Kg de TNT).