Les Particules élémentaires (de A comme Atome à Z comme Z0) 1. Qu'est ce que c'est ? 2. Comment les produire ? exemple : le collisionneur LHC 3. Comment les étudier ? exemple : l'expérience ATLAS

Etudions une molécule d'eau : 1. Au cœur de la matière Etudions une molécule d'eau : 10-9m 10-10m 10-15m <10-18m

Les constituants élémentaires de la matière De quoi la matière est elle constituée ? Avant : l'atome : Démocrite - 440 Avogadro 1776 – 1856 Mendeleïev 1834 - 1907 l'electron : Thomson 1897 le noyau : Rutherford 1911 le proton : Thomson 1916 le neutron : Chadwick 1932 les quarks u et d : Gellmann 1961 (Théorie)

Les particules de matiére La matière ordinaire est constituée de quarks up et down, d'électrons et de neutrinos : 1956 1956 1956 1897 Ces particules constituent la première famille Les physiciens des particules ont découvert 2 nouvelles familles : 1974 1947 1962 1937 1994 1977 2001 1974 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)

Les forces Qu'est ce qu'une force ? Tout ce qui fait que les particules interagissent ou tiennent entre elles. la gravitation : Newton 1642-1727  Einstein 1915 l'électricité : Coulomb 1736-1806 le magnétisme : Faraday 1791-1867  l'électromagnétisme : Maxwell 1831-1879  la force nucléaire faible Fermi 1933 la radioactivité : Becquerel 1896 P. et M. Curie 1898 … et la force nucléaire forte 1967-1970

Les forces et les particules A chaque force est associée une ou plusieurs particule Leur rôle est de transmettre cette force. Electro magnétisme Nucléaire forte Nucléaire faible Gravitation On a alors 13 nouvelles particules : les W+ W- et le Z0 1983 le photon  1905 les 8 gluons g 1975 le graviton G ??? Elles interagissent avec les autres particules : trop faible pour avoir encore été observée… toutes les particules de charge + ou - tous les quarks toutes les particules de matière

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

2. Comment produit-on des particules ? : Les accélérateurs Le but des accélérateurs : explorer la matière à des échelles de 10-15m 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 10-6m (1 micron)  elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit. Le microscope électronique est en fait une sorte de mini accélérateur

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

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

Les collisions de protons au LHC Protons de 7 TeV d’énergie Protons de 7 TeV d’énergie E = mc2 = 14 TeV La collision des particules crée de nouvelles particules que l’on peut alors étudier

Des énergies encore jamais atteintes Energies atteintes au LHC: 14 TeV 1 TeV=1 Tera électron Volt 7 TeV = énergie cinétique  d’un moustique en vol concentrée sur 1 proton ! Pour donner à un proton une énergie de 1 TeV, il faut un champ électrique équivalent à 1012 piles de 1 V Le LHC accélérera des protons jusqu’ à 7 TeV soit à une vitesse de 0.999999991 × c !

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 ! 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. …

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), …

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

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

Détecter les particules 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 Détecteurs de traces Calorimètres - électromagnétique ( ,e+,e-) Calorimètres - hadronique (particules constituées de quarks) Détecteurs de traces - Chambres à muons

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

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

La construction d’ATLAS et du LHC Le tunnel du LHC Le site d’ATLAS Le puits d’ATLAS

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