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Les particules élémentaires et l’Univers De l’infiniment petit à l’infiniment grand…

PREMIERE PARTIE : Qu’est-ce que l’infiniment petit ? Comment s’organise la matière qui nous entoure ?

histoire de la vision de l’infiniment petit Une « petite unité de matière insécable »: l’atome de Leucite et Démocrite (4ème siècle avant JC). 2500 ans plus tard : découverte de l’électron par Thomson (1898). Un premier modèle de l’atome. L’électron : particule élémentaire (!) sa charge : -1.6 10-19 C sa masse : 9,11 . 10-31 kg Objectif : présenter comment aujourd’hui on comprend la facon dont la matière qui nous entoure s’organise…Une question que se pose les hommes depuis plus de mille ans… Matière positive « Grain » de charge négative

L’expérience de Rutherford (1911) Principe : « lancer » des particules alpha (projectile) sur une fine feuille d’or (cible) et observer leur déviation. Feuille d’or Particule alpha: faible dimension par rapport à l'atome, charge électrique positive, 8000 fois plus massive que l'électron. Résultat attendu ? NOTIONS IMPORTANTES: pour sonder la matiere: projectile + cible, le projectile doit etre adapte (en taille, en energie (=vitesse + masse)). Mentionner que les alpha sont positifs (important pour l'interpretation du noyau), petits par rapport à l'atome (car traversent de fines couches de matiere), et beacoup plus lourds que les electrons (peu devies par les electrons). Conclusion : La matière est essentiellement constituée de vide.

L’atome après Rutherford Résultat de l’expérience de Rutherford : Le modèle de Thomson doit être rejeté. Modèle de Rutherford : le modèle planétaire Atome = un noyau entouré d’un cortège d’électrons. Mais ce modèle comporte encore des anomalies… Modèle actuel de l’atome : le modèle de Schrödinger L'électron n'est plus localisé en un point particulier de l'espace (Mécanique Quantique). Que retenir de l’atome : Un noyau chargé positivement 100000 fois plus petit que l’atome ( taille de l’atome, environ 1 angström = 10-10 m). Le noyau est entouré d’un cortège d’électrons chargés négativement. Notion importante: la MQ est à la base de toute la physique de l'infiniment petit. Les représentations en boules des atomes sont des images.

Qu’y a-t-il dans le noyau ? D’après l’expérience de Rutherford, l’atome n’est pas élémentaire Bientôt c’est le noyau lui-même qui va révéler sa structure interne. Le neutron est découvert par J. Chadwick en 1932. Question suscitée par cette découverte : Qu'est-ce qui assure la stabilité du noyau ? NOTION IMPORTANTE: un première question à résoudre: qu'est_ce qui assure la stabilité du noyau ?? NUCLEON = PROTON ou NEUTRON

Les nucléons sont ils élémentaires ? Résumé : Les nucléons ont-ils une sous-structure ? Prédiction théorique (1960) Puis preuve expérimentale de l’existence de quarks… L’électron ressort avec l’information sur la structure interne du proton. Électron (projectile) L’expérience de Rutherford revisitée Proton (cible fixe)

Prédiction théorique des quarks Première famille Deuxième famille Troisième famille Matière ordinaire Up Charm Top QUARKS Down Strange Beauty 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) 41°50’ N 88°15’ O

Création de nouvelles particules 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 gluon neutron...

Les usines à particules…le LHC Vue d’ensemble du LHC Lieu : CERN Profondeur : 100 m Circonférence : 27 km faire une autre diapo avec details sur pourquoi bcp de vitessse ??? Commentaire: Préciser 100 m sous terre et 27 km de circonférence. LHC : Large Hadron Collider = grand collisionneur de hadrons Principe des expériences du LHC : Etudier les particules produites lors de collisions entre deux faisceaux de protons.

Le LHC (expérience ATLAS) ? Inserer animation de fete de la science avec collision de particules.. Que retenir de ce type d’expérience : Étudier les collisions entre particules permet de sonder la matière

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… on peut comprendre toute la matiere et puis aussi notre univers...

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. On a recense a ce jour 12 particules elementaires qui sont classees en trois familles. Chaque colonne de ce tableau represente une de ces familles. Plus on va vers la droite de ce tableau et plus les particules sont massives. DIRE QUE CES PARTICULES SONT PONCTUELLES. Les boules de rayon croissant ne sont qu'une facon de representer la masse de ces particules... Dans chaque famille on rencontre deux categories de particules: les leptons et les quarks. La raison de cette distinction sera expliquee plus tard (force forte). Parmi les leptons se trouve l'electron et une particule appelee neutrino que l'on decrira plus tard (force faible). Les quarks sont les constituants des nucleons. Les particules de la premiere famille (premiere colonne) suffisent a elles seules pour fabriquer la matiere qui nous entoure. Les particules issues des 2 autres familles ne sont produites que dans les grands accelerateurs (comme celui dont vient de parler Daniel) ou bien elles proviennent des rayons cosmiques qui atteignent notre atmosphere (on en dira plus sur les rayons cosmiques dans la deuxieme partie de cette conference).

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

Les quatre interactions fondamentales En physique des particules, la force (l’interaction) qui s’exerce entre 2 particules élémentaires de matière est décrite comme l’échange entre ces 2 particules d’une particule messagère. Échange d’une particule messagère Le messager de l’interaction Portée de l’interaction Le modele standard ne se contente pas de repertorier les particules elementaires, il explique egalement quelles forces subissent les particules lorsqu'elles se rencontrent. Ce sont ces forces (que l'on appelle aussi interaction) qui vont servir de ciment pour fabriquer les nucleons, les noyaux, les atomes, et toute la matiere que nous connaissons. En phys des part la force (= l'interaction) qui s'exerce entre 2 particules est decrite comme l'echange d'une particule messagere. Expliquer l' analogie avec le ballon et les barques. Avez-vous un skate-board ? Quand je lance le ballon ma barque recule, elle subit donc une interaction.... (preciser qu'il ne s'agit que d'une analogie qui a ses limites). Si le ballon est tres lourd, on ne peut pas le lancer tres loin. De la meme facon la portee d'une interaction depend de la masse de la particule messagere. Plus elle est massive plus la portee est courte. Dans certains cas d'interaction un peu complexe il y a aussi un effet de collage... la particule messagere reste "collee" a ses particules de matiere. Un peu comme si le ballon etait enduit de super-glue... On n'arriverait plus alors a decoller sa main du ballon. Dans ce cas la portee de l'interaction est faible. Cela arrive pour une seule des interaction dont nous allons parler. Notre monde est regi par quatre forces (=interactions) fondamentales. Lesquelles ??? La portée de l’interaction dépend de la masse de la particule messagère Notre monde est régi par quatre interactions fondamentales : Lesquelles ?

Les quatre interactions fondamentales L’interaction gravitationnelle L’interaction électromagnétique L’interaction forte L’interaction faible Enumerer les quatre interactions en donnant seulement un exemple de leur manifestation... On va detailler plus tard. Dire que chaque interaction possede sa particule messagere, sa portee et son intensite specifique. A chacune de ces interactions est associé une (ou des) particule(s) messagère(s) spécifique(s).

+ Particules messagères des forces Graviton photon W+, W-, Z0 Gluon Neutrino : particule neutre, très légère, qui interagit peu avec la matière.

Les liens étroits entre l’infiniment petit et l’infiniment grand… DEUXIEME PARTIE : Les liens étroits entre l’infiniment petit et l’infiniment grand… Constellation d’orion

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

La production "locale" de rayons cosmiques Il brille grâce à un équilibre entre les 4 forces fondamentales Le soleil nous envoie des particules: photons (lumière) protons neutrinos Sur Terre, une surface de 1cm² (un ongle), est traversée chaque seconde par 64 Milliards de neutrinos solaires !

éloignons nous un peu … Nous sommes ici A 6000 années lumières, un astre nous envoie des particules très accélérées : La nébuleuse du crabe photons soleil bulbe disque protons LA DISTANCE TERRE SOLEIL EST PLUS PETITE QUE LA TAILLE DU POINT neutrinos autres … Comment accélérer des particules à ce point ? La nébuleuse du crabe résulte de l’explosion d’une supernova.

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

Le cœur de l’étoile s’effondre sur lui-même. Les supernovae Mort d’une étoile : Une étoile termine sa vie lorsqu’elle n’a plus de « carburant » Le cœur de l’étoile s’effondre sur lui-même. Les particules sont accélérées jusqu’à des énergies plus de 100 fois supérieures à ce que font les meilleurs accélérateurs. Dans certains cas, la matière est si contractée qu’elle atteint une densité limite. La matière « rebondit » et il se produit une grande explosion : la supernova.

Des particules sont accélérées dans son environnement. La nébuleuse du Crabe C’est un reste de supernova, dont l’explosion a été observée en 1054. Au centre du « nuage » en expansion, il reste un objet très dense. Une étoile à neutrons (ou pulsar) Des particules sont accélérées dans son environnement. Diamètre = 15 km Masse ~ soleil Dire les chinois ont remarque : 1 étoile qui se voit en ,plein jour Sur 1 ns : montagne de 1cm

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

le centre de notre galaxie, 25000 a.l. Une masse colossale

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 ?

Un trou noir super-massif Mort d’une étoile : Une étoile termine sa vie lorsqu’elle n’a plus de « carburant » Le cœur de l’étoile s’effondre sur lui-même Le trou noir commence alors à avaler la matière qui l’entoure La gravitation est alors si élevée que plus rien ne peut en sortir, pas même la lumière Avant d’atteindre la limite de densité, le trou noir se forme

Encore plus loin : d’autres trous noirs ? En sortant de notre galaxie, nous nous trouvons dans l'amas local : Notre galaxie: . Puis nous rencontrons d'autres amas de galaxies … Certaines galaxies ont en leur cœur un trou noir super-massif qui produit un gigantesque jet de matière : les galaxies actives. Bien dire que les points lumineux de la figrue en haut ne sont pas des étoiles mais des galaxies (abell 1689). Si on est chaud: microlensing par les halos de matière noire le plus proche AGN se trouve dans centaurus A, a 4Mpc Plus de chiffres

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 1026 particules … Comment ces particules sont elles accélérées ?

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

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

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. ATTENTION ion est oas au miliei de l’univers* Le satellite Wmap

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas instantanément à travers l'espace. ² la terre: nous, ici, maintenant émission de lumière jaune astre lointain (nébuleuse du crabe) 6000 al

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas instantanément à travers l'espace. la terre: nous, ici, maintenant l'information sur la couleur de l'astre se propage dans l'espace astre lointain (nébuleuse du crabe) 6000 al

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé 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 la terre: nous, ici, maintenant astre lointain (nébuleuse du crabe) 6000 al

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé La lumière et les particules se propagent avec une certaine vitesse : les informations ne se transmettent pas instantanément à a travers l'espace. la terre: nous, ici, maintenant astre lointain (nébuleuse du crabe) l'information continue de se propager 6000 al

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé 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 ! la terre: nous, ici, maintenant astre lointain (nébuleuse du crabe) 6000 al

Observer l'Univers lointain, c'est voyager dans le passé 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 la terre: nous, ici, maintenant astre lointain (nébuleuse du crabe) Plus l'objet observé est lointain, plus long sera le temps de propagation donc plus on observe l'univers jeune.

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. Se prendre la tete 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.

Dessin a gege

Conculsions le monde de l’infiniment petit est intimement lié à l’infiniment grand les expériences de physique des particules nous renseignent sur l’origine de l’Univers Bientôt le LHC permettra d’aller encore plus loin De nombreuses surprises nous attendent ! Se prendre la tete

La théorie du BIG BANG C'est ce que la communauté scientifique vous propose, vous êtes libre de proposer un autre modèle. Mais il faut savoir qu'il existe des observations qui apportent des contraintes: il faut travailler dans un cadre prédéfini, à partir de là, toutes les suggestions sont bonnes.

Création des particules Explication des premières particules Énergie Création d’une particule et de son antiparticule Exemple : l’électron et son antiparticule : le positron.

Les différentes particules 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 » Dire les particules du modèle standard

Prépondérance de la matière Le non-respect de certaines symétries dans l’Univers entraîne la disparition de l’anti-matière. Tous les anti-quarks, anti-électrons, anti-neutrinos… disparaissent !!! cela produit beaucoup de photons. Expliquer différence entre matière et antimatière

Ils se collent entre eux grâce à des « gluons » Les quarks Après quelques micro-secondes, les quarks commencent à se regrouper entre eux. Parler de l’interaction forte et aussi ecrire oui l’ecrire Et forment des protons ou des neutrons Ils se collent entre eux grâce à des « gluons »

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

La nucléosynthèse (II) : de 1 seconde à 3 minutes C’est le plus gros noyau formé lors de la nucléosynthèse : le NOYAU de lithium Chercher a quoi correspond 3 protons et 2 neutrons Les noyaux se forment : C’est la nucléosynthèse.

La formation des atomes Le temps passe: quelques milliers d’années (300000 ans). Les particules continuent de ralentir… Dire les noyaux Les atomes se forment.

Le découplage Après ces 300000 années, la guerre s’apaise entre les atomes et les photons, c’est ce qu’on appelle le découplage. C'est à ce moment que le fond diffus est émis. Bravo l’emission du fond diffus cosmologique…parler du fond stochastique d’onde graviationnelle et de la difficulte de le différencier du fond stochastique des binaires.

Formation des galaxies Atomes → molécules → étoiles… → galaxies Bravo l’emission du fond diffus cosmologique…parler du fond stochastique d’onde graviationnelle et de la difficulte de le différencier du fond stochastique des binaires.