les particules élémentaires et lunivers de linfiniment petit à linfiniment grand…
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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 ?
• 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).
L’électron :• particule élémentaire
(!)• sa charge : -1.6 10-19 C• sa masse : 9,11 . 10-31
kg
Un premier modèle de l’atome.
histoire de la vision de l’infiniment petit
Matière positive
« Grain » de charge négative
Principe : « lancer » des particules alpha
(projectile) sur une fine feuille d’or (cible) et
observer leur déviation.
L’expérience de Rutherford (1911)
Conclusion : La matière est essentiellement constituée de vide.
Résultat attendu ?
Feuille d’or
Particule alpha: faible dimension par rapport à l'atome, charge électrique positive, 8000 fois plus massive que l'électron.
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.
• 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.
Le neutron est découvert par J. Chadwick en 1932.
Qu’y a-t-il dans le noyau ?
NUCLEON = PROTON ou NEUTRON
Question suscitée par cette découverte :
Qu'est-ce qui assure la stabilité du noyau ?
Les nucléons sont ils élémentaires ?
Résumé :
Les nucléons ont-ils une sous-structure ?Prédiction théorique (1960)Puis preuve expérimentale del’existence de quarks…
Électron (projectile)
L’électron ressort avec l’information sur la structure interne du proton.
Proton (cible fixe)
L’expérience de Rutherford revisitée
Première famille Matière ordinaire
Deuxième famille Troisième famille
Up Charm Top QUARKS
Down Strange Beauty
Prédiction théorique des quarks
41°50’ N
88°15’ O
• 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)
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).
• 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.
Création de nouvelles particules
Vue d’ensemble du LHC
Les usines à particules…le LHC
Principe des expériences du LHC :Etudier les particules produites lors de collisions entre deux faisceaux de protons.
LHC : Large Hadron Collider = grand collisionneur de hadrons
Lieu : CERN
Profondeur : 100 m
Circonférence : 27 km
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…
Première familleMatière ordinaire
Deuxième famille Troisième famille
Electron Muon Tau
LEPTONSNeutrino électron Neutrino muon Neutrino tau
Up Charm Top
QUARKSDown Strange Beauty
Les 3 familles de particules élémentaires
12 particules élémentaires classées en 3 familles.
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.
Neutron :
1 quark u
2 quarks d
Proton :
2 quarks u
1 quark d
Structure de la matière ordinaire
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.
La portée de l’interaction dépend de la masse de la particule messagère
Le messager de l’interaction
Portée de l’interacti
on
Échange d’une 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
le sys
tèm
e
sol
aire no
tre
gala
xie,
la V
oie
Lact
ée
notre
amas
de
gala
xies
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es a
mas
,
supe
r-am
as
le fo
nd d
iffus
cosm
olog
ique
Un voyage dans le temps …
Sur terre et dans l'espace, nous recevons des signaux provenant des confins de l'univers.
La production "locale" de rayons cosmiques
Le soleil nous envoie des particules:
photons (lumière)
protons
neutrinos
Il brille grâce à un équilibre entre les 4 forces fondamentales
Sur Terre, une surface de 1cm² (un ongle), est traversée chaque seconde par 64 Milliards de neutrinos solaires !
éloignons nous un peu …
disquesoleil bulbe
Nous sommes ici
A 6000 années lumières, un astre nous envoie des particules très accélérées :
La nébuleuse du crabephotons
protons
neutrinos
Comment accélérer des particules à ce point ?
La nébuleuse du crabe résulte de l’explosion d’une supernova.
autres …
Les accélérateurs cosmiques
Comment les rayons cosmiques sont-ils accélérés?
→ dans les supernovae
Les supernovaeMort 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.
La matière « rebondit » et il se produit une grande explosion : la supernova.
Les particules sont accélérées jusqu’à des énergies plus de 100 fois
supérieures à ce que font les meilleurs accélérateurs.
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.
La nébuleuse du Crabe
Des particules sont accélérées
dans son environnement
.
Diamètre = 15 km
Masse ~ soleil
Une étoile à neutrons
(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
La gravitation est alors si élevée que plus rien ne peut en sortir, pas même la
lumière
Le trou noir commence alors à avaler la matière qui l’entoure
Avant d’atteindre la limite de densité, le trou noir se forme
Encore plus loin : d’autres trous noirs ?
Certaines galaxies ont en leur cœur un trou noir super-massif qui produit un gigantesque jet de matière : les galaxies actives.
En sortant de notre galaxie, nous nous trouvons dans l'amas local :
Notre galaxie: Puis nous
rencontrons d'autres amas de galaxies …
.
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 terre:
nous, ici, maintenant
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas
instantanément à travers l'espace.
émission de
lumière jaune
6000 al
la terre:
nous, ici, maintenant
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas
instantanément à travers l'espace.
l'information sur la couleur de l'astre se
propage dans l'espace
Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
6000 al
la terre:
nous, ici, maintenant
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
Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
6000 al
la terre:
nous, ici, maintenant
La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas
instantanément à a travers l'espace.
l'information continue de se propager
Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
6000 al
la terre:
nous, ici, maintenant
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 !
Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
6000 al
la terre:
nous, ici, maintenant
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
Plus l'objet observé est lointain, plus long sera le temps de propagation donc plus on observe l'univers jeune.
Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé
astre lointain
(nébuleuse du crabe)
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 duBIG 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’anti-matière.
Tous les anti-quarks, anti-électrons, anti-neutrinos… 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
proton neutron
neutrinoLa température diminue à mesure que l'Univers grossit.
proton neutron
neutrinoLorsque l'Univers se
refroidit, les neutrinos n’interagissent plus avec les nucléons et les noyaux deviennent stables.
La nucléosynthèse (II) : de 1 seconde à 3 minutes
Les noyaux se forment :C’est la nucléosynthèse.
C’est le plus gros noyau formé lors de la nucléosynthèse : le NOYAU de lithium
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
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