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Les particules élémentaires et lUnivers De linfiniment petit à linfiniment grand…

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2 Les particules élémentaires et lUnivers De linfiniment petit à linfiniment grand…

3 PREMIERE PARTIE : Quest-ce que linfiniment petit ? Comment sorganise la matière qui nous entoure ?

4 Une « petite unité de matière insécable »: latome de Leucite et Démocrite (4ème siècle avant JC).Une « petite unité de matière insécable »: latome de Leucite et Démocrite (4ème siècle avant JC) ans plus tard : découverte de lélectron par Thomson (1898).2500 ans plus tard : découverte de lélectron par Thomson (1898). Lélectron : particule élémentaire (!) sa charge : C sa masse : 9, kg Un premier modèle de latome. histoire de la vision de linfiniment petit Matière positive « Grain » de charge négative charge négative

5 Principe : « lancer » des particules alpha (projectile) sur une fine feuille dor (cible) et observer leur déviation. Lexpérience 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.

6 Latome après Rutherford Résultat de lexpérience de Rutherford : Le modèle de Thomson doit être rejeté. Modèle de Rutherford : le modèle planétaire Atome = un noyau entouré dun cortège délectrons. Mais ce modèle comporte encore des anomalies… Modèle actuel de latome : le modèle de Schrödinger L'électron n'est plus localisé en un point particulier de l'espace (Mécanique Quantique). Que retenir de latome : 1.Un noyau chargé positivement fois plus petit que latome ( taille de latome, environ 1 angström = m). 2.Le noyau est entouré dun cortège délectrons chargés négativement.

7 Daprès lexpérience de Rutherford, latome nest pas élémentaire Bientôt cest le noyau lui-même qui va révéler sa structure interne. Le neutron est découvert par J. Chadwick en Quy a-t-il dans le noyau ? NUCLEON = PROTON ou NEUTRON Question suscitée par cette d é couverte : Qu'est-ce qui assure la stabilit é du noyau ?

8 Les nucléons sont ils élémentaires ? Résumé : Les nucléons ont-ils une sous-structure ? Prédiction théorique (1960) Puis preuve expérimentale de lexistence de quarks… Électron (projectile) Lélectron ressort avec linformation sur la structure interne du proton. Proton (cible fixe) Lexpérience de Rutherford revisitée

9 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)

10 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

11 Vue densemble 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

12 Le LHC (expérience ATLAS) ? Que retenir de ce type dexpérience : Étudier les collisions entre particules permet de sonder la matière

13 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…

14 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.

15 Neutron : 1 quark u 2 quarks d Proton : 2 quarks u 1 quark d Structure de la matière ordinaire

16 Les quatre interactions fondamentales En physique des particules, la force (linteraction) qui sexerce entre 2 particules élémentaires de matière est décrite comme léchange entre ces 2 particules dune particule messagère. La portée de linteraction dépend de la masse de la particule messagère Le messager de linteraction Portée de linteraction Échange dune particule messagère Notre monde est régi par quatre interactions fondamentales : Lesquelles ?

17 Les quatre interactions fondamentales Linteraction gravitationnelle Linteraction électromagnétique Linteraction forte Linteraction faible A chacune de ces interactions est associé une (ou des) particule(s) messagère(s) spécifique(s).

18 + Particules messagères des forces Graviton photon W +, W -, Z 0 Gluon Neutrino Neutrino : particule neutre, tr è s l é g è re, qui interagit peu avec la mati è re.

19 DEUXIEME PARTIE : Les liens étroits entre linfiniment petit et linfiniment grand… Constellation dorion

20 Un voyage vers l'infiniment grand le système solaire notre galaxie, la Voie Lactée notre amas de galaxies autres amas, super-amas le fond diffus cosmologique Un voyage dans le temps … Sur terre et dans l'espace, nous recevons des signaux provenant des confins de l'univers.

21 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 1cm ² (un ongle), est travers é e chaque seconde par 64 Milliards de neutrinos solaires !

22 éloignons nous un peu … disquesoleilbulbe Nous sommes ici A 6000 années lumières, un astre nous envoie des particules très accélérées : La nébuleuse du crabe photons protons neutrinos Comment accélérer des particules à ce point ? La nébuleuse du crabe résulte de lexplosion dune supernova. autres …

23 Les accélérateurs cosmiques Comment les rayons cosmiques sont-ils accélérés? dans les supernovae

24 Les supernovae Mort dune étoile : Une étoile termine sa vie lorsquelle na plus de « carburant » Le cœur de létoile seffondre sur lui-même. Dans certains cas, la matière est si contractée quelle atteint une densité limite. La matière « rebondit » et il se produit une grande explosion : la supernova. Les particules sont accélérées jusquà des énergies plus de 100 fois supérieures à ce que font les meilleurs accélérateurs.

25 Cest un reste de supernova, dont lexplosion a été observée en 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)

26 Détection des particules dans lespace Pour observer ces rayons cosmiques, nous plaçons des détecteurs de particules avec des ballons atmosphériques ou en orbite autour de la terre. HEAT AMS

27 le centre de notre galaxie, a.l. Une masse colossale

28 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 ?

29 Un trou noir super-massif Mort dune étoile : Une étoile termine sa vie lorsquelle na plus de « carburant » Le cœur de létoile seffondre 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 lentoure Avant datteindre la limite de densité, le trou noir se forme

30 Encore plus loin : dautres 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 ….

31 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 particules … Comment ces particules sont elles accélérées ?

32 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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 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)

41 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.

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44 Conculsions le monde de linfiniment petit est intimement lié à linfiniment grand le monde de linfiniment petit est intimement lié à linfiniment grand les expériences de physique des particules nous renseignent sur lorigine de lUnivers les expériences de physique des particules nous renseignent sur lorigine de lUnivers Bientôt le LHC permettra daller encore plus loin Bientôt le LHC permettra daller encore plus loin De nombreuses surprises nous attendent ! De nombreuses surprises nous attendent !

45 La théorie du BIG BANG

46 Création des particules Énergie Création dune particule et de son antiparticule Exemple : lélectron et son antiparticule : le positron.

47 Les différentes particules Pendant cette première phase, il se crée: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 »Toutes ces particules se croisent et interagissent, dans ce qu'on appelle la « soupe primitive »

48 Prépondérance de la matière Le non-respect de certaines symétries dans lUnivers entraîne la disparition de lanti- matière.Le non-respect de certaines symétries dans lUnivers entraîne la disparition de lanti- matière. Tous les anti-quarks, anti-électrons, anti- neutrinos… disparaissent !!! cela produit beaucoup de photons.

49 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

50 La nucléosynthèse (I) : de 1 seconde à 3 minutes C'est la formation des noyaux atomiques protonneutron neutrino La température diminue à mesure que l'Univers grossit. protonneutron neutrino Lorsque l'Univers se refroidit, les neutrinos ninteragissent plus avec les nucléons et les noyaux deviennent stables.

51 La nucléosynthèse (II) : de 1 seconde à 3 minutes Les noyaux se forment : Cest la nucléosynthèse. Cest le plus gros noyau formé lors de la nucléosynthèse : le NOYAU de lithium

52 La formation des atomes Le temps passe: quelques milliers dannées ( ans). Les particules continuent de ralentir… Les atomes se forment.

53 Le découplage Après ces années, la guerre sapaise entre les atomes et les photons, cest ce quon appelle le découplage. C'est à ce moment que le fond diffus est émis.

54 Formation des galaxies Atomes molécules étoiles… galaxies


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