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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 (0,6m) 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).
