Les accélérateurs de particules
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Les Particules élémentaires (de A comme Atome à Z comme Z0) 1. Qu'est ce que c'est ? 2. Comment les produire ? exemple : le collisionneur LHC 3. Comment les étudier ? exemple : l'expérience ATLAS 1. Au cœur de la matière Etudions une molécule d'eau : 10-9m 10-10m 10-15m <10-18m Les constituants élémentaires de la matière De quoi la matière est elle constituée ? Avant : l'atome : Démocrite - 440 Avogadro 1776 – 1856 Mendeleïev 1834 - 1907 l'electron : Thomson 1897 le proton : Thomson 1916 le noyau : Rutherford 1911 le neutron : Chadwick 1932 les quarks u et d : Gellmann 1961 (Théorie) Les particules de matiére La matière ordinaire est constituée de quarks up et down, d'électrons et de neutrinos : 1956 1956 1956 1897 Ces particules constituent la première famille Les physiciens des particules ont découvert 2 nouvelles familles : 1974 1947 1962 1937 1994 1977 2001 1974 L'anti-matière : chaque particule possède une anti-particule identique en "tout" mais ayant des charges opposées (découverte de l'anti-électron par Anderson en 1933) Les forces Qu'est ce qu'une force ? Tout ce qui fait que les particules interagissent ou tiennent entre elles. la gravitation : Newton 1642-1727 Einstein 1915 le magnétisme : Faraday 1791-1867 l'électromagnétisme : Maxwell 1831-1879 la radioactivité : Becquerel 1896 P. et M. Curie 1898 la force nucléaire faible l'électricité : Coulomb 1736-1806 Fermi 1933 … et la force nucléaire forte 1967-1970 Les forces et les particules A chaque force est associée une ou plusieurs particule Leur rôle est de transmettre cette force. Electro magnétisme Nucléaire forte On a alors 13 nouvelles particules : le photon 1905 les 8 gluons g 1975 Nucléaire faible les W+ Wet le Z0 1983 Elles interagissent avec les autres particules : toutes les toutes les tous les particules de particules quarks charge + ou de matière Gravitation le graviton G ??? trop faible pour avoir encore été observée… Les particules en résumé 3 familles de 4 particules constituent la matiére : les fermions 13 particules transmettent les 4 forces : les bosons Graviton? 8 gluons W+ W- Z0 Une particule encore jamais observée manque : Le boson de Higgs, l'origine de la masse ? Et après : ? 2. Comment produit-on des particules ? : Les accélérateurs Le but des accélérateurs : explorer la matière à des échelles de 10-15m et au delà Fonctionnement : ils accélèrent des particules (électrons, protons) à l'aide de puissants champs électrique. Et pourquoi pas un microscope ? La longueur d'onde de la lumière visible est de 10-6m (1 micron) elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit. Le microscope électronique est en fait une sorte de mini accélérateur Exemple d'accélérateurs Le tunnel du SPS au CERN : Le LEP (accélérateur électron positron de 27 km de long au CERN – 200 GeV) pendant le démontage pour faire place au nouvel accélérateur encore plus puissant : le LHC Le collisionneur de particules LHC au CERN Le LHC sera installé dans le tunnel du LEP. Tunnel de 27 km de long CERN: Centre Européen pour la Recherche Nucléaire Les collisions de protons au LHC Protons de 7 TeV d’énergie Protons de 7 TeV d’énergie E = mc2 = 14 TeV La collision des particules crée de nouvelles particules que l’on peut alors étudier Des énergies encore jamais atteintes Energies atteintes au LHC: 14 TeV 1 TeV=1 Tera électron Volt 7 TeV = énergie cinétique d’un moustique en vol concentrée sur 1 proton ! Pour donner à un proton une énergie de 1 TeV, il faut un champ électrique équivalent à 1012 piles de 1 V Le LHC accélérera des protons jusqu’ à 7 TeV soit à une vitesse de 0.999999991 × c ! 3. Etudier les particules Quelles sont les propriétés des particules que nous pouvons mesurer avec un détecteur ? • La masse : pour une seule particule elle est bien trop petite ! • L'énergie : elle est grande puisque nous avons accéléré la particule. • La charge électrique : avec un champ magnétique puissant on peut courber la trajectoire de la particule et en déduire sa charge et son impulsion. • … Les détecteurs Les détecteurs sont constitués de couches successives comme un oignon Chaque couche est en fait un sous détecteur ayant un rôle spécifique : enregistrer le passage d'une particule (détecteur de traces), mesurer son énergie (calorimètre), … Les détecteurs de traces Ils servent à détecter le passage d'une particule sans la détruire les chambres à fil les pixels ou les plaques de silicium BaBar CMS Les calorimètres Ils servent à mesurer l'énergie d'une particule, elle est alors détruite les calorimètres à cristaux L3 et à échantillonnage ALEPH Détecter les particules La disposition en "oignon" des sous détecteurs est cruciale pour pouvoir identifier les particules produites détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique Détecteurs de traces Calorimètres - électromagnétique ( ,e+,e-) Calorimètres - hadronique (particules constituées de quarks) Détecteurs de traces - Chambres à muons chambres à muons Voir les particules Les signaux électriques provenant de tous les sous détecteurs sont ensuite traités électroniquement puis informatiquement Le détecteur ATLAS au LHC 22 m de haut, 44 m de long, poids de 7000 tonnes Composé de plusieurs sousdétecteurs La construction d’ATLAS et du LHC Le tunnel du LHC Le site d’ATLAS Le puits d’ATLAS La construction des sous détecteurs d’ATLAS Le calorimètre électromagnétique Le calorimètre hadronique Fin du montage et début de l'expérience en 2007 !
