les particules élémentaires 1. qu'est ce que c'est ? 2. comment les produire ? exemple :...
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Les Particules élémentairesLes Particules élémentaires
1. Qu'est ce que c'est ?1. Qu'est ce que c'est ?
2. Comment les produire ?2. Comment les produire ?
exemple : le collisionneur LHCexemple : le collisionneur LHC
3. Comment les étudier 3. Comment les étudier ??
exemple : l'expérience ATLASexemple : l'expérience ATLAS
(de A comme Atome (de A comme Atome à Z comme Zà Z comme Z00))
1. Au cœur de la matière1. Au cœur de la matière
Etudions une Etudions une mmolécule olécule dd''eaueau : :
10-9m 10-10m 10-15m <10-18m
Les constituants Les constituants élémentaires de la matièreélémentaires de la matière
l'atome :l'atome :DémocriteDémocrite - 440- 440
Avogadro Avogadro 1776 – 18561776 – 1856
MendeleïevMendeleïev 1834 - 19071834 - 1907
le proton :le proton :
Thomson Thomson 19161916
le noyau :le noyau :Rutherford Rutherford 19111911
Avant :Avant :
le neutron :le neutron :Chadwick Chadwick 19321932
De quoi la matièDe quoi la matière re est elle est elle constituconstituéée ?e ?
les quarks u et d :les quarks u et d :Gellmann Gellmann 1961 (Thé1961 (Théorie)orie)
l'electron :l'electron :
Thomson Thomson 18971897
Les particules de matiéLes particules de matiérereLa matière ordinaire est constituée de La matière ordinaire est constituée de quarks quarks upup et et downdown, d', d'éélectronslectrons et de et de neutrinos neutrinos ::
19519566
18918977
Les physiciens des particules ont découvert Les physiciens des particules ont découvert 22 nouvelles nouvelles fafamillesmilles ::
Ces particules constituent la Ces particules constituent la première famillepremière famille
19519566
19519566
19619622
19319377
19419477
19719744
20020011
19719744
19719777
19919944
L'anti-matièreL'anti-matière : : chaque particule possède une anti-particule chaque particule possède une anti-particule identique en "tout" mais ayant des charges opposéidentique en "tout" mais ayant des charges opposées es (d(découverte de l'anti-électron par Anderson en écouverte de l'anti-électron par Anderson en 19331933))
Les forcesLes forcesQu'est ce qu'une force ?Qu'est ce qu'une force ?
Tout ce qui fait que les particules Tout ce qui fait que les particules interagissent ou tiennent entre elles.interagissent ou tiennent entre elles.
la gravitation la gravitation :: NewtonNewton 1642-1642-17271727l'électricité :l'électricité :CoulombCoulomb 11736736--18061806le magnétisme :le magnétisme :FaradayFaraday 11791791--18671867
Einstein Einstein 19151915
l'électromagnétismel'électromagnétisme : : Maxwell Maxwell 1831-18791831-1879
la radioactivité :la radioactivité :BecquerelBecquerel 11896896P. et M. CurieP. et M. Curie 11898898
la force nucléaire faiblela force nucléaire faible FerFermi mi 1933 1933
… … etet la force nucléaire forte la force nucléaire forte 1967-1970 1967-1970
Les forces et les particulesLes forces et les particulesA chaque force est associée une ou plusieurs A chaque force est associée une ou plusieurs particuleparticule
Leur rôle est de transmettre cette force.Leur rôle est de transmettre cette force.
GravitationGravitationElectro Electro
magnétismmagnétismee
NuclNucléaireéaire faiblefaible
NuclNucléaireéaire forteforte
le photon le photon 11909055
les les WW++ W W-- et le et le ZZ00
11983983
les 8 gluons les 8 gluons gg
11979755
le graviton le graviton GG
??????
On a alors 13 nouvelles particules :On a alors 13 nouvelles particules :
Elles interagissent avec les autres particules :Elles interagissent avec les autres particules :
toutes les toutes les particules de particules de charge charge + ou -+ ou -
toutes les toutes les particulesparticulesde matièrede matière
tous les tous les quarksquarks
trop faible trop faible pour avoir pour avoir encore été encore été observéeobservée……
Les particules en rLes particules en réésumsuméé
?Une particule encore jamais observUne particule encore jamais observéée e manque :manque :
Et après :Le boson de Le boson de HiggsHiggs, l'origine , l'origine de la masse ?de la masse ?
3 familles de 4 particules constituent la matiére : 3 familles de 4 particules constituent la matiére : les les ferfermmionsions
13 particules transmettent les 4 forces : 13 particules transmettent les 4 forces : les bosonsles bosons
WW++ W W-- Z Z00Graviton?Graviton? 8 8 gluonsgluons
2. Comment produit-on des 2. Comment produit-on des particules ? : Les particules ? : Les
accélérateursaccélérateurs
Le but des accélérateurs :Le but des accélérateurs : explorer la explorer la matière à des échelles dematière à des échelles de 10 10-15-15m et au m et au
delàdelàFonctionnement Fonctionnement : : ils accélèrent des ils accélèrent des
particules particules ((électronsélectrons, , protonsprotons) ) à là l''aide aide de puissants champs électriquede puissants champs électrique..
Et pourquoi pas un microscope Et pourquoi pas un microscope ??
La longueur d'onde de la lumière visible est de 10La longueur d'onde de la lumière visible est de 10-6-6m (1 m (1 micron)micron)
elle ne peut donc pas être utilisée pour observer elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit.l'infiniment petit.
Le microscope électronique est en fait une sorte de mini Le microscope électronique est en fait une sorte de mini accélérateuraccélérateur
Exemple dExemple d''accélérateursaccélérateursLe tunnel du SPSLe tunnel du SPS au CERN au CERN ::
Le LEP (accélérateur Le LEP (accélérateur électron positron de 27 km électron positron de 27 km de long au CERN – 200 GeVde long au CERN – 200 GeV) ) pendant le dpendant le déémontage pour montage pour faire place au nouvel faire place au nouvel accaccélérélérateur encore plus ateur encore plus puissant :puissant : le LHCle LHC
Le collisionneur de Le collisionneur de particules LHC au CERN 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 Les collisions de protons au LHCau 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 Des énergies encore jamais atteintesjamais atteintes
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 !
Energies atteintes au LHC: 14 TeV
1 TeV=1 Tera électron Volt
3. Etudier les particules3. Etudier les particulesQuelles sont les propriétés des Quelles sont les propriétés des
particules que nous pouvons mesurer particules que nous pouvons mesurer avec un détecteur ?avec un détecteur ?
• La masse : pour une seule particule La masse : pour une seule particule elle est bien trop petite !elle est bien trop petite !
• L'énergie : elle est grande puisque L'énergie : elle est grande puisque nous avons accéléré la particulenous avons accéléré la particule..
• La charge électrique : avec un La charge électrique : avec un champ magnétique puissant on peut champ magnétique puissant on peut courber la trajectoire de la particule courber la trajectoire de la particule et en déduire sa charge et son et en déduire sa charge et son impulsion.impulsion.
• ……
Les détecteursLes détecteursLes détecteurs sont constitués de Les détecteurs sont constitués de
couches successives comme un oignoncouches successives comme un oignon
Chaque couche est en fait un sous détecteur Chaque couche est en fait un sous détecteur ayant un rôle spécifique : ayant un rôle spécifique :
enregistrer le passage d'une particule (détecteur enregistrer le passage d'une particule (détecteur de traces), mesurer son énergie de traces), mesurer son énergie ((calorimètrecalorimètre), …), …
Les détecteurs de tracesLes détecteurs de traces
les chambres à les chambres à fil fil
Ils servent à détecter le passage d'une Ils servent à détecter le passage d'une particule sans la détruireparticule sans la détruire
CMCMSS
les pixels ou les plaques de les pixels ou les plaques de silicium silicium
BaBarBaBar
Les calorimètresLes calorimètres
les calorimètres à les calorimètres à cristaux cristaux
Ils servent à mesurer l'énergie d'une Ils servent à mesurer l'énergie d'une particule, elle est alors détruiteparticule, elle est alors détruite
ALEPHALEPH
L3L3
et à échantillonnage et à échantillonnage
Détecter les particulesDétecter les particules
Détecteurs de traces Calorimètres - électromagnétique ( ,e+,e-) Calorimètres - hadronique (particules constituées de quarks) Détecteurs de traces - Chambres à muons
La disposition en "oignon" des sous La disposition en "oignon" des sous détecteurs est cruciale pour pouvoir détecteurs est cruciale pour pouvoir
identifier les particules produitesidentifier les particules produites
détecteur de traces
calorimètre électromagnétique
calorimètre hadronique
chambres à muons
Voir les particulesVoir les particulesLes signaux Les signaux électriques provenant de électriques provenant de tous les sous détecteurs sont ensuite tous les sous détecteurs sont ensuite
traités électroniquement puis traités électroniquement puis informatiquementinformatiquement
Le détecteur ATLAS au Le détecteur ATLAS au LHCLHC
22 m de haut, 44 m de long, poids de 7000 tonnes
Composé de plusieurs sous-détecteurs
La construction d’ATLAS et La construction d’ATLAS et du LHCdu LHC
Le tunnel du LHC
Le site d’ATLAS
Le puits d’ATLAS
La construction des sous La construction des sous détecteurs d’ATLASdétecteurs d’ATLAS
Le calorimètre électromagnétique
Le calorimètre hadronique
Fin du montage et début de l'expérience en 2007 !
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