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Les Particules élémentaires 1. Qu'est ce que c'est ? 2. Comment les produire ? exemple : le collisionneur LHC 3. Comment les étudier ? exemple : l'expérience.

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2 Les Particules élémentaires 1. Qu'est ce que c'est ? 2. Comment les produire ? exemple : le collisionneur LHC 3. Comment les étudier ? exemple : l'expérience ATLAS (de A comme Atome à Z comme Z 0 )

3 1. Au cœur de la matière Etudions une molécule d'eau : m m m < m

4 Les constituants élémentaires de la matière l'atome : Démocrite Avogadro 1776 – 1856 Mendeleïev le proton : Thomson 1916 le noyau : Rutherford 1911 Avant : le neutron : Chadwick 1932 De quoi la matière est elle constituée ? les quarks u et d : Gellmann 1961 (Théorie) l'electron : Thomson 1897

5 Les particules de matiére La matière ordinaire est constituée de quarks up et down, d'électrons et de neutrinos : Les physiciens des particules ont découvert 2 nouvelles familles : Ces particules constituent la première famille 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)

6 Les forces Qu'est ce qu'une force ? Tout ce qui fait que les particules interagissent ou tiennent entre elles. la gravitation : Newton l'électricité : Coulomb le magnétisme : Faraday Einstein 1915 Einstein 1915 l'électromagnétisme : l'électromagnétisme : Maxwell Maxwell la radioactivité : Becquerel 1896 P. et M. Curie 1898 la force nucléaire faible la force nucléaire faible Fermi 1933 Fermi 1933 … et la force nucléaire forte … et la force nucléaire forte

7 Les forces et les particules A chaque force est associée une ou plusieurs particule Leur rôle est de transmettre cette force. Gravitation Electro magnétisme Nucléaire faible Nucléaire forte le photon 1905 les W + W - et le Z 0 les W + W - et le Z les 8 gluons g 1975 le graviton G ??? On a alors 13 nouvelles particules : Elles interagissent avec les autres particules : toutes les particules de charge + ou - toutes les particules toutes les particules de matière tous les quarks trop faible pour avoir encore été observée…

8 Les particules en résumé ? Une particule encore jamais observée manque : Et après : Le boson de Higgs, l'origine de la masse ? 3 familles de 4 particules constituent la matiére : les fermions 13 particules transmettent les 4 forces : les bosons W+ W- Z0W+ W- Z0W+ W- Z0W+ W- Z0 Graviton? 8 gluons

9 2. Comment produit-on des particules ? : Les accélérateurs Le but des accélérateurs : explorer la matière à des échelles de m 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 m (1 micron) elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit. elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit. Le microscope électronique est en fait une sorte de mini accélérateur

10 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

11 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

12 Les collisions de protons au LHC Protons de 7 TeV dénergie E = mc 2 = 14 TeV La collision des particules crée de nouvelles particules que lon peut alors étudier

13 Des énergies encore jamais atteintes 7 TeV = énergie cinétique dun moustique en vol concentrée sur 1 proton ! Pour donner à un proton une énergie de 1 TeV, il faut un champ électrique équivalent à piles de 1 V Le LHC accélérera des protons jusqu à 7 TeV soit à une vitesse de × c ! Energies atteintes au LHC: 14 TeV 1 TeV=1 Tera électron Volt

14 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 ! La masse : pour une seule particule elle est bien trop petite ! L'énergie : elle est grande puisque nous avons accéléré la particule. 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. La charge électrique : avec un champ magnétique puissant on peut courber la trajectoire de la particule et en déduire sa charge et son impulsion. … …

15 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), …

16 Les détecteurs de traces les chambres à fil Ils servent à détecter le passage d'une particule sans la détruire CMS les pixels ou les plaques de silicium BaBar

17 Les calorimètres les calorimètres à cristaux Ils servent à mesurer l'énergie d'une particule, elle est alors détruite ALEPH L3 et à échantillonnage et à échantillonnage

18 Détecter 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 détecteurs est cruciale pour pouvoir identifier les particules produites détecteur de traces calorimètre électromagnétique calorimètre hadronique chambres à muons

19 Voir les particules Les signaux électriques provenant de tous les sous détecteurs sont ensuite traités électroniquement puis informatiquement

20 Le détecteur ATLAS au LHC 22 m de haut, 44 m de long, poids de 7000 tonnes Composé de plusieurs sous- détecteurs

21 La construction dATLAS et du LHC Le tunnel du LHC Le site dATLAS Le puits dATLAS

22 La construction des sous détecteurs dATLAS Le calorimètre électromagnétique Le calorimètre hadronique Fin du montage et début de l'expérience en 2007 !


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