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Trois idées essentielles: la notion de particule « élémentaire » et despace vide, les interactions Vème siècle avant J.C. : Philosophie dEmpédocle Théorie.

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3 Trois idées essentielles: la notion de particule « élémentaire » et despace vide, les interactions Vème siècle avant J.C. : Philosophie dEmpédocle Théorie des 4 éléments La combinaison ou la dissociation des quatre éléments fondamentaux de la nature : la terre, leau, lair et le feu étaient à la base de tous les changements observés. Leau et surtout le feu étaient considérés comme pouvant provoquer la fin dun cycle cosmique, à travers le kataclysmos (déluge) et lekpyrosis (feu cosmique) et ramener ainsi la régénération périodique de la vie. Au 4ème siècle avant J.C. Démocrite pense que la matière est formée de grains indivisibles : les atomes (atomos : qu'on ne peut diviser). Ces atomes sont en mouvement dans le vide et peuvent semboîter ensemble (atomes crochus) Mais sa démarche n'est que philosophique (le rôle de lobservation nest pas prépondérant). Idées du changement perpétuel et élémentarité

4 La philosophie va accorder sa préférence à la théorie des quatre éléments (Aristote, développement de lalchimie): Rejet du Vide… Résurrection de la théorie de Leucippe et Démocrite au XVII-XVIIIème siècle avec Newton: Concepts de point matériel, dinteractions (les forces) et despace absolu (substrat de la géométrie dEuclide identifiée au vide de Démocrite). Bases de la Physique moderne (matérialisme) Réintroduction de latome par Dalton et des combinaisons atomiques au XIXème siècle: Atomes inaltérables dotés dune masse mesurable (théorie quantitative) qui diffère dun type datome à lautre (éléments). Les combinaisons préfigurent la notion de réaction chimique. Bases de la chimie moderne Les ingrédients de la représentation moderne de la matière sont déjà là: Elémentarité, interactions entre particules, rôle du cadre spatio-temporel dans la dynamique des particules, relation matière/espace-temps.

5 Notre univers est quantique à toutes les échelles: des particules élémentaires (quarks, leptons, …) dont elle décrit les interactions aux particules composées (noyau, atomes, molécules…)… Echelles microscopiques: m (1 millionième dangstroms) à qqs m (Angstrom: taille de latome dH) Aux échelles mésoscopiques (qqs dizaines à qqs centaines de nm ): systèmes vivants, électronique, …

6 … la matière en très gros: Etoiles ( naines blanches, pulsars, trous noirs, …) Et lunivers primordial!!

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8 Le mécanisme déchange Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de Rayonnement (boson intermédiaire) La portée D de linteraction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente

9 échange dun photon Portée infinie !! Diffusion électron-positron

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12 Faisceau incident (particules sondes, lumière, …) Cible Particules diffusées et/ou créées Plus lénergie du faisceau incident est élevée, plus faible est léchelle sondée (course aux hautes énergies): révélation de la structure intime de la matière Détection/ Analyse Projection dun faisceau sur cible fixe

13 Exemple historique En 1911: Rutherford étudie les particules Diffusion par la matière Découverte du noyau atomique Modèle planétaire de latome

14 Principe * une source de particules: p, e- ou ions+ (ionisation datomes par une décharge électrique) * Champs électriques pour accélérer ces particules *Champs magnétiques pour le guidage du faisceau Collision de faisceaux circulant en sens inverse Configuration du collisionneur Particule chargée (q) Champ électrique Champ magnétique Particule chargée (q)

15 Préfixe Téra (T)= Préfixe Giga (G)= 10 9 Préfixe Méga (M)= 10 6 LElectron-Volt (eV) est une unité dénergie adaptée à létude des processus microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une tension de 1 Volt

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17 Energie de collision 7 TeV Le Préfixe Téra (T)= Champ magnétique dipolaire pour faire circuler les protons à 7 TeV 8,33 T (Teslas) Le Champ magnétique permet dinfléchir le faisceau de particules (trajets circulaires) Tesla: Unité de Champ magnétique Intensité du faisceau de protons 0,56 A (Ampère) Espace entre les bouffées 7,48 m L.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de Hadrons

18 27 km de circonférence 100 m sous terre

19 Détecteur ALICE Dimensions : 26 m de long, 16 m de large, 16 m de haut Poids : tonnes Collision d ions plomb pour recréer en laboratoire les conditions qui régnaient juste après le Big Bang. Etude du plasma quarks-gluons : Les collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil

20 * CMS = détecteur polyvalent * Recherche du boson de Higgs et dautres dimensions spatiales * Quête des constituants la matière noire Détecteur CMS Dimensions : 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut Poids : tonnes

21 Large Hadron Collider beauty Dimensions : 21 m de long, 13 m de large et 10 m de haut Poids : 5600 tonnes LHCb destiné à comprendre lasymétrie matière/antimatière (pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué entièrement de matière et pas dantimatière) Etude des différences entre matière et antimatière en étudiant un type de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Recréation des premiers instants du Big Bang où les paires de quarks b/antiquarks b auraient été produites

22 Le détecteur ATLAS Dimensions : 46 m de long, 25 m de large, 25 m de haut Poids : 7000 tonnes Recherche du boson de Higgs: Etude de lorigine de la masse des particules Nature de la matière noire (Supersymétrie) Recherche de partenaires supersymétriques des particules

23 Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont prérefroidis à lazote liquide ( tonnes) à une température -193,2°C (80 K) puis portés à °C (1.9 K) à laide dHélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide )


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