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Entrée dans le monde du LHC Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février 2013. JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1.

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1 Entrée dans le monde du LHC Lycée Élie Faure, Lormont; Le 22 février JC Caillon, Professeur, Université Bordeaux 1.

2 Plan Les constituants élémentaires Détection de linfiniment petit Introduction à la physique du LHC - - Le Higgs ou le mystère de la masse - - Le plasma quark-gluon ou lorigine de lunivers - - Les particules «Belles» ou la disparition de lantimatière

3 Les constituants élémentaires

4 Les puissances de dix Réalisé daprès un extrait du film « Power of ten » de Charles et Ray Eames (1977).

5 Les constituants élémentaires Latome Comment sont liés les électrons au noyau ? Deux charges de signe contraire sattirent. Interaction électromagnétique Un atome contient un noyau situé en son centre et des électrons qui "tournent" autour du noyau. Taille de l'ordre de m Électron Noyau atomique 1, kg x A Masse De lordre de mTaille< m 9, kg Charge + -

6 Les constituants élémentaires Latome Il faut autant datomes pour faire une orange que doranges pour remplir la Terre.

7 Les constituants élémentaires Latome Le volume de l'atome est constitué de 99, % de vide ! Si on pouvait enlever tout le vide des atomes : * La Lune aurait la taille dune sphère de 42m de rayon. * On pourrait faire tenir 20 porte-avions dans une tête dépingle (sphère de 1mm de rayon).

8 Les constituants élémentaires Le noyau Un noyau contient des protons et des neutrons. Taille de lordre de m NeutronProton 1, kg Masse mTaille m 1, kg Charge +0 Comment sont liés les protons et neutrons entre eux ? Deux charges de même signe se repoussent. Interaction électromagnétique Interaction Forte

9 Dé rempli de protons et neutrons 50 X Pyramide de Kheops Masse Le noyau est extrêmement dense. Les constituants élémentaires Le noyau La densité de la matière du noyau est de tonnes par millimètre cube !

10 Les constituants élémentaires Le noyau La masse dun noyau est inférieure à la somme des masses de ses constituants ! Noyau Masse < Neutrons Protons Cest grâce à cette différence de masse que le soleil nous éclaire. La masse ne se conserve pas !

11 Les constituants élémentaires En résumé Physique nucléaire et physique des particules

12 Détection de linfiniment petit

13 Comment observe t-on des objets de taille différente ?

14 Détection de linfiniment petit Le principe Exemples : Image : On peut tirer des conclusions sur la forme dun objet en regardant comment des projectiles sont déviés. Cest la même chose en physique nucléaire et physique des particules.

15 On envoie des particules sur la matière et on regarde comment elles sont déviées. Par diffusion : Détection de linfiniment petit Le principe Découverte du noyau atomique (Rutherford, Geiger et Marsden, 1911)

16 Détection de linfiniment petit Le principe On envoie des particules sur la matière et on regarde les nouvelles particules qui « ressortent ». Par extraction : Découverte de lélectron (J.J. Thomson 1897) Découverte du neutron (M. Chadwick 1932) particules accélérées matière détecteur

17 Détection de linfiniment petit La découverte du noyau atomique En 1904, THOMSON propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thomson". Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".

18 Détection de linfiniment petit La découverte du noyau atomique Des particules émises par une source de radium radioactive (enfermées dans un boîtier en plomb) se propagent sans déviation : Lexpérience de Rutherford

19 Détection de linfiniment petit La découverte du noyau atomique La grande majorité des particules nest pas déviée seul un très petit nombre (1 sur ) se trouvent dévié. Dautres encore (1 sur ) rebondissent, et sont renvoyées vers l'arrière. Si on interpose une très mince feuille d'or (0,6 m) sur le trajet des particules :

20 Détection de linfiniment petit La découverte du noyau atomique La majorité des particules alpha nétaient pas déviées. Les déviations vers larrière étaient extrême rares. Le modèle de JJ Thomson nexpliquait pas l'observation. La charge positive devait être concentrée en son centre. Noyau Latome est essentiellement constitué de vide Le noyau est très petit

21 Détection de linfiniment petit Un paramètre important : lénergie e-e- e-e- Noyau Énergie moyenne Protons et neutrons e-e- Pour voir des détails de plus en plus fins, il faut fournir de plus en plus dénergie. e-e- Proton Grande énergie Quarks Atome Faible énergie e-e- e-e- Noyau atomique

22 Création de nouvelles particules 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). Détection de linfiniment petit Collisions frontales

23 Détection de linfiniment petit Un exemple daccélérateur : Le LHC Extrait du documentaire « Cest pas sorcier : Matière et univers » diffusé sur France 3 (2009).

24 Détection de linfiniment petit Un exemple daccélérateur : Le LHC Le LHC : les énergies les plus grandes jamais atteintes Le LHC accélère des protons jusquà une vitesse de c !!! Dans chaque anneau circule environ 3000 paquets contenant chacun protons (lénergie du faisceau équivaut à 120 Kg de TNT). Cela représente lénergie cinétique dun moustique en vol, ici concentrée dans un volume mille milliards de fois ( ) inférieur au moustique. Sept mille milliards Pour donner à un proton une telle vitesse, il faut un champ électrique équivalent à piles de 1 V.


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