clé d’une énigme de la physique

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1 clé d’une énigme de la physique
Commission des Cadrans Solaires de la Société Astronomique de France Réunion d’automne, 16 octobre 2010 Cliquez pour avancer… La Lune, clé d’une énigme de la physique (1992 – 1995) Pierre Juillot IPHC, Strasbourg, France

2 La physique des particules Le CERN

3 Ils ont bouleversé la société moderne
1970: l’armée US invente l’Internet (Arpanet) 1989: le Cern propose le Web comme système de communication interne

4 CERN, 13 mars 1989 Tim Berners-Lee

5 Les quatre échelles de la matière
10-18 m ↔élémentaire Les quatre échelles de la matière (actuelles) 10-14 m 10-15 m ≤ m

6 Un tunnel de 26,659 km de circonférence creusé jusqu’à ~ -120 mètres
le LEP: 1989 → 2000: collisions e+ e- le LHC: 2010 →2021: collisions proton proton

7 Quatre zones d’expériences installées dans des cavernes souterraines

8 aimant de focalisation
Schéma du LEP cavité accéleratrice aimant de courbure (dipole) aimant de focalisation chambre à vide

9 Le tunnel du LEP monorail chambre à vide aimants L’énergie E du LEP est connue à ΔE/E ~ ± 10 ppm (1 ppm = 10-6 = un millionième)

10 invention de Ferdinand Braun, professeur à Strasbourg de 1895 à 1918,
ancien était = 100 GeV invention de Ferdinand Braun, professeur à Strasbourg de 1895 à 1918, prix Nobel de physique 1909 avec G. Marconi pour l’invention de la T.S.F.

11 Une expérience en physique des particules
1. accélération de paquets de matière e- et d’antimatière e+ 2. collision de deux paquets dans les détecteurs (dans un champ magnétique) E = mc2 3. enregistrement des trajectoires des particules produites 4. analyse

12 Le détecteur Atlas auprès de l’accélérateur LHC (2008)
poids: 7000 tonnes; longueur: 46 m; largeur: 25 m; hauteur: 25 m

13 Le détecteur ALEPH auprès de l’accélérateur LEP (1989)
poids: 3000 tonnes Ø= 10 m

14 Un événement dans un détecteur du LEP
E = ½ mc2 + ½ mc2 matière antimatière

15 Des événements prometteurs…

16 Les particules vraiment élémentaires (matière)
notre monde = 4 particules: proton = uud, neutron = udd, électron e, neutrino νL

17 Le LEP a connu de mystérieuses variations d’énergie
jusqu’à ΔE E ~120 ppm … longtemps inexpliquées …

18 Les coupables finalement démasqués :
Observatoire astronomique de Strasbourg ↔ l’attraction de la Lune et du Soleil génère des marées océaniques et terrestres! (visibles) (invisibles)

19 La Lune a un mouvement képlerien perturbé par la Terre et par le Soleil il résulte de l’addition de 5 forces: 1. équation du centre orbite elliptique (idem Terre) 2.évection déviation de l’orbite théorique sous l’effet des attractions du Soleil et de la Terre 3.variation la vitesse de la Lune est maximale en position de nouvelle et pleine Lune et minimale aux quartiers (mois synodique) 4. équation annuelle la Lune se déplace plus vite quand la Terre est à son aphélie que lorsqu’elle est au périhélie (année anomalistique) 5. réduction transposition en longitudes écliptiques dans le plan orbital lunaire des perturbations précédentes (mois draconitique)

20 perturbateur (de masse M et à une distance d) -2f 2f
Le phénomène de marée f la Terre a une masse m et un rayon r Plan de l’astre perturbateur (de masse M et à une distance d) -2f 2f f →déformation de la circonférence terrestre →production de bourrelets de marée

21 Sur Terre, force de marée
Forces de marée GmM (d-r)2 GMm (1 – r ) -2 GM r F = = → les forces de marées sont en f = d d2 d3 Sur Terre, force de marée mLune r3Terre f = = ~10-7 poids g d3Lune mTerre → la force de marée sur un corps est ~ un dix millionnième de son poids La force de marée dûe au Soleil est la moitié de celle provoquée par la Lune fSoleil MSoleil d3Lune = = 0.47 fLune MLune d3Soleil

22 ►par des gravimètres à ressorts ou supraconducteurs
Les marées terrestres 1. mesures ►par des gravimètres à ressorts ou supraconducteurs ►à partir de perturbations de l’orbite de satellites artificiels 2. réalisation de cartes cotidiales et modélisation mathématique Observatoire Royal de Bruxelles (Prof. P. Melchior) → le changement ∆r du rayon r de la Terre dû à un objet de masse M à une distance d en un point de distance zénitale θ est M ∆r ≈ (3 cos2 θ -1) d3 Modèle CTE (Cartwright –Tayler - Edden) →le modèle CTE rajoute 505 composantes harmoniques

23 Les effets sur le LEP à Genève
axe de rotation terrestre pôle de l’écliptique εT= 23° 26’ Lune εL=5°8’ écliptique → à l’équateur, ∆r ≈ ± 50 cm → à Genève, ∆r ≈ ± cm → changement de la circonférence du LEP ≈ ± 0.5 mm

24 Mesures et prédictions du modèle CTE
pleine Lune ΔE E ~120 ppm vers ~ ½ Lune

25 Conclusion Au cours des siècles, la Lune a été accusée d’être la cause de nombreux aspects étranges de phénomènes naturels. Nous avons démontré l’effet du cycle lunaire sur l’énergie des faisceaux du CERN Cet effet permet de souligner l’extraordinaire précision des expériences de physique de particules

26 Un autre effet non prévu
et qui se répète chaque jour

27 Un impact non attendu de la civilisation
• • la SNCF utilise du courant continu à 1500 V • ~ 20% du courant se perd dans le sol voyage le long des cables de masse et des chambres à vide du LEP et intéragit avec le champ magnétique des aimants

28 Des courants électriques vagabonds
voie CFF voie SNCF

29 Départ du TGV de 16h40: 3 mesures simultanées
Potentiel sur les rails Potentiel sur la chambre à vide Champ magnétique sur des sondes de contrôle

30 Situation historique • Le problème des trains électrifiés au voisinage des laboratoires de physique n’est pas tout à fait une découverte récente… • 1895 : article du journal Central-Zeitung für Optik und Mechanik, XVI. Jg, No. 13, page 151 “Nachtheile physikalischer Institute durch elektrische Bahnen” “Les inconvénients des trains électrifiés pour les instituts de physique” • à Berlin, pendant les premiers test d’électrification des tramways (auparavant tirés par des chevaux) on constata que des courants vagabonds perturbaient les èlectromètres sensibles

31 Influence du niveau du Lac Léman
Niveau du lac Léman (m) jour ΔE → le poids de l’eau dans le lac Léman déforme la croute terrestre dans la région → fluctuation périodique de la circonférence du LEP de 2 mm jour

32 • La Lune peut absorber des proton en route vers le Terre
Effet d’écran de la Lune sur le rayonnement cosmique détecté sur Terre? ( idée proposée en 1957) Modification d’une expérience LEP comme détecteur du rayonnement cosmique • Addition de détecteurs pour déclencher sur les muons μ cosmiques • Collecte et analyse de 1010 événements μ cosmiques ces μ sont produits dans l’atmosphère et conservent la direction du proton primaire • La Lune peut absorber des proton en route vers le Terre • Le champ magnétique terrestre dévie les trajectoires des particules chargées

33 «L’ombre de la Lune»

34 équation de la ligne des noeuds
Le mouvement de la Lune reproduit à l’horloge astronomique de Strasbourg les 5 équations lunaires équation du centre évection variation équation annuelle équation de la ligne des noeuds réduction équation du temps