Le monde de l’invisible Les particules élémentaires D. Verkindt, LAPP 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Etudier les phénomènes de la nature… Rechercher les lois cachées derrière ces phénomènes… 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Expérimenter au-delà de nos sens… 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Interpréter les résultats… mais pas trop vite 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Interpréter les résultats… mais pas trop vite 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Quelques ordres de grandeur Longueurs (mètres) 10-15 m = taille d’un noyau d’atome 1 m = vous 4.10+16 m = distance qui nous sépare de l’étoile Alpha Centauri (4 années-lumière) Temps (secondes) 10-23 s = durée de vie de la particule Z0 1 s = vous 10+17 s = durée de vie du soleil Energies (Joules) 10-19 J = énergie d’un photon émis par une lampe 10-7 J = atterrissage du moustique 10+9 J = vos repas de la journée 10+16 J = bombe atomique de 1 Mégatonne 10+26 J = énergie lumineuse du soleil… à chaque seconde! 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10 mètres Un rosier 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 0.1 mètre = 10 cm Une mouche sur une feuille du rosier 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-3 mètre = 1 mm L’œil de la mouche 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Détecteurs d’invisible Le microscope optique Cellules d’oignon 10 micron 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-5 mètre = 10 microns Un cil sur l’œil de la mouche 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Détecteurs d’invisible Premier microscope électronique: E. Ruska et M. Knoll , 1932 (prix Nobel 1986) Le microscope électronique = h / p l = longueur d’onde h = constante de Planck p = impulsion de la particule = mv Chloroplaste dans une cellule végétale Microscope optique Microscope électronique faisceau de lumière faisceau d’électrons lentilles optiques lentilles électromagnétiques résolution 0,5 micromètre résolution 0,0002 micromètre 0.1 micron 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-7 mètre = 0.1 micron La base du cil et les cellules qui forment l’œil de la mouche 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Quelques ordres de grandeur Le petit… Il faut autant de cellules pour faire un corps humain que d’étoiles pour faire une galaxie (100 milliards) 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-8 mètre = 100 Angströms Le brin d’ADN dans le noyau d’une cellule 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Détecteurs d’invisible Premier microscope à effet tunnel: G. Binnig et H. Rohrer en 1981 (IBM, Zürich), prix Nobel 1986 Le microscope à effet tunnel En 1990, le microscope à effet tunnel a permis à des chercheurs d'IBM d'écrire les premières lettres de l'histoire des nanotechnologies en disposant 35 atomes de xénon, sur une surface de nickel, ces 35 atomes dessinant les trois lettres IBM. Voir aussi: http://www.cndp.fr/themadoc/micro3/rep_mcp.htm 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-10 mètre = 1 Angström Un atome de carbone: l’un des éléments composant une des molécules du brin d’ADN Atomes d’or déposés sur une couche de carbone 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Quelques ordres de grandeur Le très petit… Il faut autant d’atomes pour faire une orange que d’oranges pour remplir la Terre 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-14 mètre = 10 fermis Le noyau de l’atome de carbone (dessin) 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Quelques ordres de grandeur Le très très petit… Il faut autant de noyaux atomiques pour remplir un atome que d’oranges pour recouvrir 15 fois la France 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Détecteurs d’invisible Expérience ALEPH, au CERN 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 10-15 mètre = 1 fermi Un proton dans le noyau (dessin) Le proton contient trois quarks 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Entrée dans le monde de l’invisible 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Au bout du monde de l’invisible Physique nucléaire et physique des particules 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Les particules élémentaires connues en 2006 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Les forces Interaction forte gluon quark quark 10-14 m 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Interaction électromagnétique Les forces Interaction électromagnétique photon électron quark milliards de km 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Les forces Interaction faible W+ neutrino quark 10-14 m n → p + e- + ne W+ W- Z0 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Unification des interactions Unification des 3 interactions: électromagnétique, faible, et forte interaction faible + interaction électromagnétique = interaction électrofaible (1967-1973) Glashow, Salam, Weinberg Besoin du boson de Higgs 102 105 1010 1015 GeV 1 GeV = 1.6 1010 Joules 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Les forces Interaction gravitationnelle graviton électron quark milliards de km 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Petit résumé Matière et forces… http://www.diffusion.ens.fr/vip/tableG00.html 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière 1928 : P. Dirac prédit l’existence de l’antimatière Trace d’un anti-électron dans la chambre à bulles de C. Anderson 1932: C. Anderson découvre l’anti-électron Rencontre entre un électron et un anti-électron 1993: le LEP au CERN 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (2) C(A) C(B) CP(A) CP(B) A B Trois transformations fondamentales: P: inversion d’espace C: matière  antimatière T: renversement du temps A B CPT(A) CPT(B) 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (3) P Escher C CP 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (4) Symétrie d’espace P violée: D’autres symétries sont-elles violées ? La symétrie C matière ↔ antimatière ? ≠ Gauche Droite Gauche Gauche ? Droite Droite 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (5) Une condition: la violation de CP Fond de rayonnement cosmologique mesuré aujourd’hui Aujourd’hui dans l’Univers En tenant compte de l’évolution de l’Univers, ce rapport était dans le passé: Fond diffus cosmologique Modèles de nucléosynthèse primordiale Nombre d’étoiles A l’origine, pour 1 milliard de particules d’antimatière, il devait y avoir 1 milliard et 3 particules de matière Une condition: la violation de CP 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (6) La recherche d’antimatière cosmique Pour observer de l’Antimatière dans l’espace, il « suffit » d’y envoyer un aimant Rayon cosmique matière antimatière Ainsi on peut compter les rayons cosmiques et les trier par types L’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) à laquelle participe le LAPP est conçue pour l’observation de l’antimatière cosmique 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (7) Un simple aimant ne suffit pas : il faut un détecteur de physique des particules ATLAS pour le LHC Plus de 7000 t 44 m x 20 m Consommation > MW Immobile à 100 m sous le sol AMS 02 Contraintes spatiales Poids < 7 t 3 m x 3 m Consommation < 2 kW Résistance : Température -50° / +50° Vide Vibrations 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

…Mais aussi l’antimatière (8) Identification des particules dans AMS Les sous-détecteurs doivent être très précis, on veut être capables de rejeter : 1 proton dans 104 positons 1 Helium dans 103 positons 1 électron dans 102 positons 1 proton dans 106 photons 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Petit historique 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Des expériences qui ont tout changé E. Rutherford, H. Geiger et E. Marsden envoient des noyaux d’Hélium (particules alpha) sur une feuille d’or. … Surprise: la feuille d’or ressemble à du beurre contenant de minuscules grains durs, que Rutherford va interpréter comme étant les noyaux des atomes d’or. 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Des expériences qui ont tout changé Le mystère de la désintégration bêta W. Pauli propose une nouvelle particule: le neutrino ne 00ne 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Des expériences qui ont tout changé 1 neutrino sur 1020 interagit avec le détecteur ! Réacteur: 1020 neutrinos/s Détecteur à 12m 3 neutrinos détectés par heure Eau+cadmium Le premier détecteur de neutrinos Construit en 1956 par C. Cowan et F. Reines, auprès du réacteur nucléaire de Savannah River, USA 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Des expériences qui ont tout changé 1968 1974 1977 1983 1993 1995 SLAC: découverte des quarks dans des collisions electrons-protons SLAC and Brookhaven: découverte du quark « charme » dans des collisions electrons-positrons Fermilab: découverte du quark « bottom » dans des collisions protons-protons CERN: decouverte des bosons W et Z dans des collisions protons-antiprotons CERN: seulement trois familles de particules dans des collisions electrons-positrons Fermilab: découverte du quark « top » dans des collisions proton-antiproton 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Les expériences d’aujourd’hui Des détecteur géants pour des particules minuscules… SuperKamiokande traque les neutrinos du soleil Le detecteur ALEPH a étudié les collisions a haute énergie 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

La théorie qui a tout changé… la Mécanique Quantique Quelques uns des fondateurs E. Fermi a décrit l’interaction faible W. Pauli a prédit l’existence du neutrino L. De Broglie a prédit la dualité onde-particule P. Dirac a prédit l’existence de l’antimatière 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

La mécanique quantique une nouvelle facon de voir l’invisible Particule et Onde  fonction d’onde: y Ey = Hy Distribution de la probabilité de présence de l’électron dans l’atome Orbitale 2s Orbitale 2p Orbitale 3d z http://hypo.ge.ch/physic/simulations/orbitales/orbitales.html Ancienne façon de voir les électrons dans l’atome 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Le mystère de la mécanique quantique Expérience de Thomas Young: avec des photons 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Le mystère de la mécanique quantique Expérience de Thomas Young: avec des électrons 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Petites particules… grandes conséquences La bombe thermonucléaire 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Petites particules… grandes conséquences La protonthérapie 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse Chercher a comprendre de quoi est faite la matière… Tenter de voir l’invisible… …a permis de mieux comprendre le corps humain, de comprendre comment fonctionne le soleil, de créer de nouveau matériaux (semi-conducteurs) ou de nouvelles lumières (lasers) 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Démarche scientifique 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

La science sur deux pieds Incertitudes des modèles Domaine de validité théorie On parle de science, lorsque les théories élaborées pour décrire la nature sont réfutables par des expériences expérience Incertitudes expérimentales Interprétations des résultats 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Science: le pays des incertitudes Incertitudes expérimentales Reproductibilité des conditions expérimentales seulement statistiques: « On ne se baigne jamais deux fois dans le même fleuve » (Héraclite, "De la Nature", Fragments 8) Incertitudes de mesures toujours présentes. Incertitude statistique fondamentale de la mécanique quantique. 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Science: le pays des incertitudes Théorie : valide dans un domaine restreint possède souvent des paramètres libres (ajustables) incertitudes du modèle théorique dues aux paramètres libres ou à des incertitudes expérimentales Expérience : reproductibles statistiquement seulement incertitudes de mesures toujours présentes protocole expérimental et interprétation des résultats inséparables de l’expérimentateur. Les réponses fournies par la science: - sont toujours partielles et jamais définitives. - mais produisent des applications concrètes. 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

La science et la société sur trois pieds… Incertitudes des modèles Domaine de validité théorie Applications concrètes : laser, télévision, avions, médicaments, lave-linge, vaccins, réseau électrique, fusée, téléphone... éthique, avis des citoyens... expérience Incertitudes expérimentales Interprétations des résultats 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

Culture scientifique: encore des effort à faire!… 17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse