entrée dans le monde du lhc lycée Élie faure, lormont; le 22 février 2013. jc caillon,...
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Entrée dans le monde du LHC
Entrée dans le monde du LHC
Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février 2013.
Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février 2013.
JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1.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
Les constituants élémentairesLes puissances de dix
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1977
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Les constituants élémentairesL’atome
Comment sont liés les électrons au noyau ? Comment sont liés les électrons au noyau ?
Deux charges de signe contraire s’attirent.
Interaction électromagnétique
Un atome contient un noyau situé en son centre et des électrons qui "tournent" autour du noyau.Un atome contient un noyau situé en son centre
et des électrons qui "tournent" autour du noyau.
Taille de l'ordre de 10-10m
ÉlectronNoyau atomique
1,7 10-27kg x AMasse
De l’ordre de 10-15m Taille < 10-18m
9,1 10-31kg
Charge + -
Les constituants élémentairesL’atome
Il faut autant d’atomes pour faire une orange que d’oranges pour remplir la
Terre.
Il faut autant d’atomes pour faire une orange que d’oranges pour remplir la
Terre.
Les constituants élémentairesL’atome
Le volume de l'atome est constitué de 99,9999999999999% de vide !
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 élémentairesLe noyau
Un noyau contient des protons et des neutrons.Un noyau contient des protons et des neutrons.
Taille de l’ordre de 10-15m
NeutronProton
1,7 10-27kgMasse
10-15m Taille 10-15m
1,7 10-27kg
Charge + 0
Comment sont liés les protons et neutrons entre eux ? Comment sont liés les protons et neutrons entre eux ?
Deux charges de même signe se repoussent.
Interaction électromagnétique
Interaction Forte
Dé rempli de protons et neutrons
Dé rempli de protons et neutrons
50 X
Pyramide de KheopsPyramide de Kheops
MasseMasse
Le noyau est extrêmement dense.Le noyau est extrêmement dense.
Les constituants élémentairesLe noyau
La densité de la matière du noyau est de 230 000 tonnes par millimètre cube !
Les constituants élémentairesLe noyau
La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses constituants !La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses constituants !
NoyauNoyau
MasseMasse
<< NeutronsNeutrons
ProtonsProtons
C’est grâce à cette différence de masse que le soleil nous éclaire.
La masse ne se conserve pas !
Les constituants élémentairesEn résumé
Physique nucléaire et physique des particules
Détection de l’infiniment petit
Détection de l’infiniment petitComment observe t-on des objets de taille différente ?
Détection de l’infiniment petitLe principe
Exemples :
Image : On peut tirer des conclusions sur la forme d’un objet en regardant comment des projectiles sont déviés.
C’est la même chose en physique nucléaire et physique des particules.
C’est la même chose en physique nucléaire et physique des particules.
On envoie des particules sur la matière et on regarde comment elles sont déviées.
On envoie des particules sur la matière et on regarde comment elles sont déviées.
Par diffusion :
Détection de l’infiniment petitLe principe
Découverte du noyau atomique (Rutherford, Geiger et Marsden, 1911)
Détection de l’infiniment petitLe principe
On envoie des particules sur la matière et on regarde les nouvelles particules qui « ressortent ».
On envoie des particules sur la matière et on regarde les nouvelles particules qui « ressortent ».
Par extraction :
Découverte de l’électron (J.J. Thomson 1897) Découverte du neutron (M. Chadwick 1932)
particules accélérées
matière
détecteur
Détection de l’infiniment petitLa 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 petitLa découverte du noyau atomique
Des particules émises par une source de radium radioactive (enfermées dans un boîtier en plomb) se propagent sans déviation.
1911 : L’expérience de Rutherford1911 : L’expérience de Rutherford
Détection de l’infiniment petitLa découverte du noyau atomique
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.
Si on interpose une très mince feuille d'or (0,6m) sur le trajet des particules :
Détection de l’infiniment petitLa découverte du noyau atomique
La majorité des particules alpha n’étaient pas déviées.
Les déviations vers l’arrière étaient extrême rares.
Le modèle de JJ Thomson n’expliquait pas l'observation. La charge positive devait être concentrée en son centre. NoyauNoyau
L’atome est L’atome est essentiellement essentiellement
constitué de videconstitué de vide
Le noyau est très petitLe noyau est très petit
Détection de l’infiniment petitUn paramètre important : l’énergie
e-e-
NoyauNoyau
Énergie moyenneÉnergie moyenneProtons et neutrons
e-
Pour voir des détails de plus en plus fins, il faut fournir de plus en plus d’énergie.
Pour voir des détails de plus en plus fins, il faut fournir de plus en plus d’énergie.
e-
ProtonProtonGrande énergieGrande énergie
Quarks
AtomeAtome
Faible énergieFaible énergie
e-e-
Noyau atomique
Création de nouvelles
particules
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).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).
Détection de l’infiniment petitCollisions frontales
Détection de l’infiniment petitUn exemple d’accélérateur : Le LHC
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Détection de l’infiniment petitUn 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 !!!
Le LHC accélère des protons jusqu’à une vitesse de 0.999999991 c !!!
Dans chaque anneau circule environ 3000 paquets contenant chacun 1011 protons (l’énergie du faisceau équivaut à 120 Kg de TNT).
Dans chaque anneau circule environ 3000 paquets contenant chacun 1011 protons (l’énergie du faisceau équivaut à 120 Kg de TNT).
Cela représente l’énergie cinétique d’un moustique en vol, ici concentrée dans un volume mille milliards de fois (10-12) inférieur au moustique.
Sept mille milliardsSept mille milliards
Pour donner à un proton une telle vitesse, il faut un champ électrique équivalent à 7 1012 piles de 1 V.