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Entrée dans le monde du LHC Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février 2013. JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1.

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Page 1: Entrée dans le monde du LHC Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février 2013. JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1

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.

Page 2: 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

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Les constituants élémentaires

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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 + -

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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.

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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).

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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

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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 !

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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 !

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Les constituants élémentairesEn résumé

Physique nucléaire et physique des particules

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Détection de l’infiniment petit

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Détection de l’infiniment petitComment observe t-on des objets de taille différente ?

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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.

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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)

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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

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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".

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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

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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 :

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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

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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

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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

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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.