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Tout ce que vous voulez savoir sur la physique des particules sans avoir jamais osé le demander Yves Fournier Une introduction à la conférence de Daniel Treille sur le CERN 7 mars 2016 1 Notions élémentaires • • • • • • • Electromagnétisme Structure atomique Mécanique quantique Interactions Modèle standard Machines de manipulation des particules Machines de détection des particules 7 mars 2016 2 Notions d’électromagnétisme 7 mars 2016 3 Notions d’électromagnétisme Maxwell 7 mars 2016 4 Notions d’électromagnétisme 7 mars 2016 5 Notions d’électromagnétisme 7 mars 2016 6 Notions d’électromagnétisme Unités utilisées : • • • • • • • • • • A : ampère kg : kilogramme m : mètre N : newton s : seconde T : tesla V : volt W : watt Wb : weber J : joule 7 mars 2016 Tesla : L'induction magnétique qui, répartie normalement et uniformément sur une surface de 1 mètre carré, produit à travers cette surface un flux d'induction électromagnétique total de 1 weber 7 Notions d’électromagnétisme 7 mars 2016 8 Notions d’électromagnétisme 7 mars 2016 9 Notions d’électromagnétisme • Force de Laplace 7 mars 2016 10 La relativité restreinte Einstein (1905) • Expérience de Michelson et Morley (1886) • La lumière se déplace à la même vitesse quel que soit celle de l’émetteur • Vitesse de la lumière c = 300 000 km/s • Indépendante de la vitesse de l’observateur • Les lois de la physique sont les mêmes dans tout repère galiléen en déplacement à vitesse uniforme par rapport à l’observateur • Conséquences – Contraction des longueurs – Dilatation des temps – Augmentation des masses 7 mars 2016 11 Effet photo électrique • Dualité onde-corpuscule 7 mars 2016 12 Les unités d’énergie • • • • • • • E = mc² Electron volt Multiples usuels : 1 keV = 103 eV = 1,602 177×10-16 J 1 MeV = 106 eV = 1,602 177×10-13 J 1 GeV = 109 eV = 1,602 177×10-10 J 1 TeV = 1012 eV = 1,602 177×10-7 J 7 mars 2016 13 Historique de la connaissance de la structure atomique 7 mars 2016 14 Modèle orbital avec nucléons (Niels Bohr) • Electron (-) • Proton (+) • Neutron (0) 06/02/2014 15 Spectroscopie de raies 7 mars 2016 Loi de Balmer 16 Structure atomique (Niels Bohr) 7 mars 2016 17 Structure atomique (Niels Bohr) 7 mars 2016 18 Mots clés physique particules Particules • • • • • • • Atome Molécule Ion Electron Proton Neutron Plasma 7 mars 2016 • • • • Forces Gravitation Electromagnétisme Interaction faible Interaction forte 19 Mécanique quantique • Le quantum Serait-il pensable qu’une source de lumière n’émette pas d’ondes électromagnétiques de façon continue, mais plutôt, des petits paquets distincts d’énergie dans toutes les directions? Ces petits paquets d’énergie seraient comparables à des particules élémentaires qu’on appellerait PHOTONS qui voyageraient à la vitesse de la lumière. Chaque photon ou QUANTUM posséderait une quantité d’énergie dont la valeur serait donnée par: 7 mars 2016 E = hν 20 Mécanique quantique • • • • Thomson : modèle atomique avec noyau « plum pudding » Rutherford : modèle atomique avec nuage électronique Bohr : modèle atomique « planétaire » avec orbites fixes De Broglie : les électrons ont une onde associée comme la lumière et les photons • Heisenberg : principe d’incertitude • Schrödinger : Fonction d’onde des électrons 7 mars 2016 21 Mécanique quantique • Modèle quantique de l’atome • On ne peut déterminer simultanément la vitesse et la position d’un électron dans le nuage électronique (Heisenberg) • Un électron possède la dualité particuleonde comme le photon (Schrödinger) • Aucun électron d’une même couche ne peut avoir les mêmes nombres quantiques (Pauli) 7 mars 2016 22 Mécanique quantique • Nombre quantique principal, n n est toujours un nombre entier positif et il décrit la GRANDEUR de l'orbitale. Comme la distance entre l'électron et le noyau est directement proportionnelle à l'énergie de l'électron (comme Bohr l'avait décrit dans son modèle), le nombre quantique principal est aussi une mesure de l'orbitale . 7 mars 2016 23 Mécanique quantique • Nombre quantique secondaire ou azimutal, l – – – – Il décrit la FORME de l'orbitale. Les orbitales s sont sphériques (l = 0). Les orbitales p sont polaires (l = 1). Les orbitales d sont en forme de feuilles de trèfle (l = 2). – Les orbitales f sont des multilobes complexes (l = 3). 7 mars 2016 24 Mécanique quantique • Nombre quantique magnétique, ml • le nombre quantique magnétique, ml, décrit l'ORIENTATION de l'orbite dans l'espace. • Pour les orbitales s (l = 0), il n'y a qu'une orientation possible, donc m doit être égal à 0. • Pour les orbitales p (l = 1), trois orientations sont possibles, donc m peut être égal à -1, 0, ou 1. • Pour les orbitales d (l = 2), cinq orientations sont possibles, donc m peut être égal à -2, -1, 0, 1, ou 2. • Pour les orbitales f (l = 3), sept orientations sont possibles, donc m peut être égal à -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3. 7 mars 2016 25 Mécanique quantique • Nombre quantique de spin, ms – Le nombre quantique de spin , ms, exprime le sens de ROTATION de l'électron sur lui-même et a comme valeur +1/2 ou -1/2, valeurs représentées conventionnellement par ↑et ↓ . Si deux électrons (le maximum permis) sont sur n'importe quelle orbite ils seront toujours de spins opposés 7 mars 2016 26 Les orbitales 7 mars 2016 27 Les orbitales 7 mars 2016 28 Les orbitales 7 mars 2016 29 Les interactions • L'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur, de la marée ou encore des phénomènes astronomiques, • L'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques, • L'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques, • L'interaction faible, responsable de la radio-activité β, qui permet au Soleil de briller 7 mars 2016 30 Mécanique quantique • • • • • • h= 6,62607004 × 10-34 m2 kg / s E = mc2 = hν m = masse de la particule c = vitesse de la lumière h = constante de Planck ν = fréquence de l’onde associée 7 mars 2016 31 Gell-Mann et Zweig 7 mars 2016 32 Modèle unifié 7 mars 2016 33 Les quarks 7 mars 2016 34 Modèle unifié Les familles de particules 7 mars 2016 35 Bestiaire de particules 7 mars 2016 36 Comment découvrir la structure de la matière • • • • Invisibilité des particules Interaction particule matière Nécessité d’augmenter les énergies de collision Augmentation des énergies par champ électrique ou magnétique • Confiner les particules pour éviter toute interaction avant la collision 7 mars 2016 37 Historique des découvertes sur la structure des particules 7 mars 2016 38 Les accélérateurs • • • • • Accélérateurs linéaires Cyclotrons Synchrotrons Anneaux de stockage Collisionneurs (comme le LHC) 7 mars 2016 39 Accélérateurs linéaires 7 mars 2016 Van de Graaf 40 Cyclotrons Lawrence 7 mars 2016 41 Synchrotrons Rayonnement synchrotron 7 mars 2016 42 Anneaux de stockage 7 mars 2016 43 Collisionneurs (comme le LHC) 7 mars 2016 44 7 mars 2016 45 Les collisionneurs circulaires • Rayon le plus grand possible pour éviter la perte d’énergie par rayonnement synchrotron • Tunnel avec confinement magnétique – Valeur la plus élevée possible du champ > 10 Tesla – Nécessite des aimants à bobines supraconductrices – Vide le plus parfait possible < 10-11 atm 7 mars 2016 46 Diagramme de Feynman 7 mars 2016 47 L’ultra vide 7 mars 2016 48 L’ultra vide 7 mars 2016 49 Propriétés de l’hélium liquide • • • • • • Liquéfié à 4,2°K Hélium type I Transition superfluide à 2,17° K (Kapitsa 1934) Hélium type II Viscosité nulle (effet fontaine) Conductibilité thermique infinie Milieu permettant de déclencher la supraconductivité dans les métaux 7 mars 2016 50 La supraconductivité • Découverte « fortuite » en 1911 par Kamerlingh Onnes (Hg -269° C) • Phénomène présenté par tous les métaux • Découverte d’alliages Niobium Titane supraconducteurs à de plus hautes températures • Alliage avec Cuivre pour les rendre ductiles 7 mars 2016 51 Le zéro absolu • • • • • -273,15 ° C = 0 ° Kelvin Température 1,9 K Hélium superfluide Très grande conductivité thermique Viscosité nulle 7 mars 2016 52 Les machines de détection des particules Obtenir une interaction avec la matière et déclencher un phénomène physique mesurable • Chambres à bulles • Chambres à étincelles • Chambres proportionnelles (Charpak 1968) • Détecteurs au silicium • Détecteurs par scintillation luminescente 7 mars 2016 53 Chambres à bulles Gargamelle 7 mars 2016 54 Chambres à étincelles 7 mars 2016 55 Chambre proportionnelle (à fils) Charpak 7 mars 2016 56 Détecteurs au silicium 7 mars 2016 57 Calorimètre à échantillonnage 7 mars 2016 58 Compact Muon Solenoïd (CMS) 7 mars 2016 59 Calorimètre au tungstate de plomb 7 mars 2016 60 Procedé Czochralski 7 mars 2016 61 Les retombées de la recherche fondamentale sur les particules • • • • • • Cryogénie Ultra vide Aimants surpuissants Imagerie médicale Hadrontherapie Informatique, réseau et Big Data 7 mars 2016 62
