De l`infiniment petit à l`infiniment grand…

Les particules élémentaires
et l’Univers
De l’infiniment petit à
l’infiniment grand…
PREMIERE PARTIE :
•Qu’est-ce que l’infiniment petit ?
•Comment s’organise la matière
qui nous entoure ?
histoire de la vision de l’infiniment petit
• Une « petite unité de matière insécable »: l’atome
de Leucite et Démocrite (4ème siècle avant JC).
• 2500 ans plus tard : découverte de l’électron par
Thomson (1898).
Un premier modèle de l’atome.
L’électron :
• particule élémentaire (!)
• sa charge : -1.6 10-19 C
• sa masse : 9,11 . 10-31 kg
Matière positive
« Grain » de
charge négative
L’expérience de Rutherford (1911)
Principe : « lancer » des
particules alpha (projectile)
sur une fine feuille d’or
(cible) et observer leur
déviation.
Particule alpha: faible dimension
par rapport à l'atome, charge
électrique positive, 8000 fois plus
massive que l'électron.
Feuille d’or
Résultat attendu ?
Conclusion : La matière est
essentiellement constituée de vide.
L’atome après Rutherford
•Résultat de l’expérience de Rutherford :
Le modèle de Thomson doit être rejeté.
•Modèle de Rutherford : le modèle planétaire
Atome = un noyau entouré d’un cortège d’électrons.
Mais ce modèle comporte encore des anomalies…
•Modèle actuel de l’atome : le modèle de Schrödinger
L'électron n'est plus localisé en un point particulier
de l'espace (Mécanique Quantique).
Que retenir de l’atome :
1.
Un noyau chargé positivement 100000 fois plus petit que
l’atome ( taille de l’atome, environ 1 angström = 10-10 m).
2. Le noyau est entouré d’un cortège d’électrons chargés
négativement.
Qu’y a-t-il dans le noyau ?
• D’après l’expérience de Rutherford,
l’atome n’est pas élémentaire
• Bientôt c’est le noyau lui-même qui va révéler sa
structure interne.
Question suscitée par
cette découverte :
Qu'est-ce qui assure la
stabilité du noyau ?
NUCLEON = PROTON ou NEUTRON
Le neutron est découvert par J. Chadwick en 1932.
Les nucléons sont ils élémentaires ?
Résumé :
Les nucléons ont-ils une
sous-structure ?
Prédiction théorique (1960)
Puis preuve expérimentale de
l’existence de quarks…
Électron
(projectile)
L’expérience de Rutherford revisitée
Proton
(cible fixe)
L’électron ressort
avec l’information
sur la structure
interne du proton.
Prédiction théorique des quarks
Première famille
Matière ordinaire
QUARKS
Deuxième famille
Troisième famille
Up
Charm
Top
Down
Strange
Beauty
• C'est d'abord la théorie qui prédit l'existence de 6
quarks (au minimum), classés en 3 familles.
• Ils vont ensuite être découverts expérimentalement…
(dernière découverte en 1996: le quark top)
41°50’ N
88°15’ O
Découverte des quarks
• Pour sonder la matière plus finement, on augmente l'énergie de la
collision (la vitesse des projectiles).
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
• La collision produit de nouvelles particules, instables (qui n'existaient
qu'aux premiers instants de l'univers) → "On remonte dans le
temps."
• Ce sont ces particules qui vont nous renseigner sur les propriétés des
quarks.
Les usines à particules…le LHC
Vue d’ensemble du LHC
Lieu : CERN
Profondeur : 100 m
Circonférence : 27 km
LHC : Large Hadron Collider = grand collisionneur de hadrons
Principe des expériences du LHC :
Etudier les particules produites lors de collisions
entre deux faisceaux de protons.
Le LHC (expérience ATLAS) ?
Que retenir de ce type d’expérience :
Étudier les collisions entre particules permet de sonder la matière
Organisation de la matière :
le modèle standard…
• Dans l'état actuel de nos connaissances,
l'organisation de la matière est décrite par le
modèle standard :
A partir de quelques briques élémentaires et de
quatre forces on peut comprendre toute la
matière…
Les 3 familles de particules élémentaires
12 particules élémentaires classées en 3 familles.
Première famille
Matière ordinaire
LEPTONS
QUARKS
Deuxième famille
Troisième famille
Electron
Muon
Tau
Neutrino électron
Neutrino muon
Neutrino tau
Up
Charm
Top
Down
Strange
Beauty
 La première famille rassemble les particules constitutives de la
matière ordinaire.
 Deuxième et troisième familles : matière produite uniquement dans les
grands accélérateurs ou bien issue des rayons cosmiques.
Structure de la matière ordinaire
Proton :
2 quarks u
1 quark d
Neutron :
1 quark u
2 quarks d
Les quatre interactions fondamentales
En physique des particules, la force (l’interaction) qui s’exerce entre
2 particules élémentaires de matière est décrite comme l’échange
entre ces 2 particules d’une particule messagère.
Échange d’une particule
messagère
Le messager de
l’interaction
Portée de
l’interaction
La portée de l’interaction dépend de la
masse de la particule messagère
Notre monde est régi par quatre interactions fondamentales :
Lesquelles ?
Les quatre interactions fondamentales
• L’interaction gravitationnelle
• L’interaction électromagnétique
• L’interaction forte
• L’interaction faible
A chacune de ces interactions est associé une (ou des) particule(s)
messagère(s) spécifique(s).
+ Particules
messagères
des forces
Graviton
photon
W+, W-, Z0
Gluon
Neutrino :
particule neutre,
très légère, qui
interagit peu avec
la matière.
DEUXIEME PARTIE :
Les liens étroits entre
l’infiniment petit et
l’infiniment grand…
Constellation d’orion
Un voyage vers l'infiniment grand
Sur terre et dans l'espace, nous recevons des
signaux provenant des confins de l'univers.
Un voyage dans le temps …
La production "locale" de rayons cosmiques
Il brille grâce à un équilibre entre les 4 forces
fondamentales
Le soleil nous envoie des particules:
photons (lumière)
protons
neutrinos
Sur Terre, une surface de 1cm² (un ongle), est traversée chaque seconde
par 64 Milliards de neutrinos solaires !
éloignons nous un peu …
Nous sommes ici
A 6000 années lumières, un astre nous
envoie des particules très accélérées :
La nébuleuse du crabe
photons
soleil
bulbe
disque
protons
neutrinos
autres …
Comment accélérer des
particules à ce point ?
La nébuleuse du crabe résulte de
l’explosion d’une supernova.
Les accélérateurs cosmiques
Comment les rayons cosmiques sont-ils accélérés?
→ dans les supernovae
Les supernovae
Mort d’une étoile : Une étoile termine sa vie lorsqu’elle n’a plus de « carburant »
Le cœur de l’étoile s’effondre
sur lui-même.
Dans certains cas, la matière est si
contractée qu’elle atteint une densité
limite.
Les particules sont accélérées jusqu’à des
énergies plus de 100 fois supérieures à ce
que font les meilleurs accélérateurs.
La matière « rebondit » et il se produit
une grande explosion : la supernova.
La nébuleuse du Crabe
C’est un reste de supernova, dont l’explosion a été
observée en 1054. Au centre du « nuage » en
expansion, il reste un objet très dense.
Une étoile à neutrons
Des particules
sont
accélérées
dans son
environnement.
Diamètre = 15 km
Masse ~ soleil
(ou pulsar)
Détection des particules dans l’espace
Pour observer ces rayons cosmiques, nous plaçons des détecteurs de
particules avec des ballons atmosphériques ou en orbite autour de la terre.
HEAT
AMS
le centre de notre galaxie, 25000 a.l.
Une masse colossale
Observation du centre de la
galaxie
La masse centrale peut être déduite des mouvements des étoiles.
Quel objet peut avoir une telle masse
tout en étant si petit et si peu lumineux ?
Un trou noir super-massif
Mort d’une étoile : Une étoile termine sa vie lorsqu’elle n’a plus de « carburant »
Le cœur de l’étoile s’effondre
sur lui-même
Avant d’atteindre la limite de
densité, le trou noir se forme
Le trou noir commence alors à avaler la
matière qui l’entoure
La gravitation est alors si élevée que plus
rien ne peut en sortir, pas même la lumière
Encore plus loin : d’autres trous noirs ?
En sortant de notre galaxie, nous nous trouvons dans l'amas local :
.
Notre galaxie:
Puis nous rencontrons
d'autres amas de
galaxies …
Certaines galaxies ont en leur cœur un trou noir super-massif qui produit un
gigantesque jet de matière : les galaxies actives.
Les rayons cosmiques d'énergies
extrêmes
Certaines particules atteignent la terre à des vitesses 10 millions de
fois plus élevées qu'au LHC !
C'est autant qu'une balle de tennis servie par un pro,
Pour une seule particule !!!
Dans une balle de tennis il y a environ 1026 particules …
Comment ces particules sont elles accélérées ?
Comment les détecte-t-on?
En entrant dans l'atmosphère, elles
créent des centaines d'autres
particules.
Rares : ces dernières sont observées
par des détecteurs de très grande
surface
Très rapides : on utilise l'atmosphère
pour les arrêter
En Argentine, l'observatoire Pierre
Auger déploie 1600 détecteurs sur
une surface de 3000 km².
Lac d'Annecy
Un messager provenant du fin fond de l'Univers …
Image en champ profond par
le télescope spatial Hubble
Paradoxalement, ce que l'on peut voir de plus lointain est assez facile
à observer (il suffit d'une télé).
Le messager le plus lointain observable à l'heure actuelle est le
fond diffus cosmologique
13 milliards d'années lumières
Le fond diffus cosmologique
Nous sommes ici
On observe une "lumière" (non visible)
très froide, de toutes les directions.
C'est en fait une photo de notre Univers
alors qu'il était encore très jeune.
Le satellite Wmap
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à travers
l'espace.
la terre:
émission
de lumière
jaune
nous, ici,
maintenant
6000 al
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à travers
l'espace.
la terre:
nous, ici,
maintenant
l'information sur la
couleur de l'astre se
propage dans l'espace
6000 al
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à a travers
l'espace.
soudain,
l'astre
change de
couleur
la terre:
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
nous, ici,
maintenant
6000 al
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à a travers
l'espace.
la terre:
nous, ici,
maintenant
l'information continue
de se propager
6000 al
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à a travers
l'espace.
sur terre, on observe un
astre jaune (tel qu'il était
juste avant l'invention de
l'écriture)
pourtant au
même instant,
il est orange !
la terre:
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
nous, ici,
maintenant
6000 al
Observer l'Univers lointain, c'est
voyager dans le passé
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse :
les informations ne se transmettent pas instantanément à a travers
l'espace.
un certain temps plus tard, on
observe le changement de
couleur
la terre:
nous, ici,
maintenant
astre
lointain
(nébuleuse
du crabe)
Plus l'objet observé est lointain, plus long sera le temps de
propagation donc plus on observe l'univers jeune.
Le fond diffus cosmologique
Il provient de très loin (des photons ne peuvent pas venir de plus loin), donc il a
été émis il y a très longtemps, au tout début de l'histoire de l'Univers.
L'observation du fond diffus cosmologique prouve qu'à ses débuts,
l'Univers était beaucoup plus petit et plus chaud. Cette observation,
combinée à d'autres mesures mène à l'idée du BIG BANG.
Conculsions
• le monde de l’infiniment petit est intimement lié à
l’infiniment grand
• les expériences de physique des particules nous
renseignent sur l’origine de l’Univers
• Bientôt le LHC permettra d’aller encore plus loin
• De nombreuses surprises nous attendent !
La théorie du
BIG BANG
Création des particules
Énergie
Création d’une
particule et de
son antiparticule
Exemple : l’électron et son antiparticule : le positron.
Les différentes particules
• Pendant cette première phase, il se crée:
–
–
–
–
–
Des quarks (et anti-quarks)
Des électrons (et anti-électrons)
Des neutrinos (et anti-neutrinos)
Des photons
Les particules messagères des forces
• Toutes ces particules se croisent et
interagissent, dans ce qu'on appelle la « soupe
primitive »
Prépondérance de la matière
• Le non-respect de certaines symétries dans
l’Univers entraîne la disparition de l’antimatière.
Tous les anti-quarks,
anti-électrons, antineutrinos…
disparaissent !!!
cela produit beaucoup
de photons.
Les quarks
Après quelques micro-secondes, les quarks
commencent à se regrouper entre eux.
Ils se collent entre eux
grâce à des « gluons »
Et forment des protons
ou des neutrons
La nucléosynthèse (I)
: de 1 seconde à
3 minutes
C'est la formation des noyaux atomiques
neutrino
proton
La température diminue à
mesure que l'Univers
grossit.
neutron
Lorsque l'Univers se
refroidit, les neutrinos
n’interagissent plus avec les
nucléons et les noyaux
deviennent stables.
neutrino
proton
neutron
La nucléosynthèse (II)
: de 1 seconde à 3
minutes
C’est le plus gros
noyau formé lors de
la nucléosynthèse :
le NOYAU de
lithium
Les noyaux se forment :
C’est la nucléosynthèse.
La formation des atomes
Le temps passe: quelques milliers d’années
(300000 ans). Les particules continuent de ralentir…
Les atomes se forment.
Le découplage
Après ces 300000 années, la guerre s’apaise entre les
atomes et les photons, c’est ce qu’on appelle le
découplage.
C'est à ce moment que le fond diffus est émis.
Formation des galaxies
Atomes → molécules → étoiles… →
galaxies