Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie 53 avenue des Martyrs – Grenoble Polygone scientifique Dans les années 60, les recherches en physique nucléaire ont motivé la création d’un laboratoire à Grenoble : ceci conduira, en 1967, à la naissance de l’Institut des Sciences Nucléaires (ISN). Depuis lors, ce laboratoire ayant développé ses thèmes de recherche et les ayant étendus, il est devenu en 2003 le LPSC : Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie.

De l’infiniment petit à l’infiniment grand … De quoi est faite la matière Physique subatomique Physique nucléaire Physique hadronique Physique des particules Le LPSC est un laboratoire de recherche fondamentale, expérimentale et théorique en physique nucléaire et hadronique, en physique des particules et astroparticules et en cosmologie. Il représente un acteur majeur de la recherche grenobloise et nationale, il est également impliqué dans plusieurs projets scientifiques de dimension mondiale, notamment dans la construction de détecteurs du LHC (Large Hadron Collider) du CERN à Genève. Parmi les thèmes étudiés au LPSC, certains font partie des plus grandes énigmes de physique. C’est le cas, par exemple, de l’origine de la masse des particules et de l’asymétrie matière-antimatière dans l’univers, de l’unification des forces, et de la recherche de l’énergie noire. La recherche fondamentale est le moteur des activités du LPSC. Les thèmes couverts s’étendent de l’infiniment petit à l’infiniment grand : L’infiniment petit, bien plus petit que l’échelle des noyaux d’atomes : il s’agit de comprendre les propriétés des constituants de la matière les plus élémentaires et de leurs interactions, d’étudier des états hors du commun de la matière nucléaire et d’en rechercher de nouveaux comme le plasma de quarks et de gluons. L’infiniment grand, avec, par exemple, la compréhension de l’organisation des structures de l’univers, de certains de ses phénomènes extrêmes, ou des tous premiers instants après le Big-Bang (CMB) Contrairement aux apparences, ces deux domaines ont beaucoup de points communs, puisque la physique de l’infiniment petit joue un rôle primordial dans les premiers instants de l’univers. Expériences permettant de revenir aux conditions du BigBang Cosmologie : science des grands lois qui gouvernent l’univers physique Science de la formation et de l’évolution de l’univers Cosmologie Rayons cosmiques Fond cosmologique comprendre les structures et les lois de notre univers Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Le Modèle Standard Les particules élémentaires Les porteurs des interactions Les physiciens des particules ont mis au point une théorie appelée le Modèle Standard, qui tente de décrire toute la matière et les forces de l'univers (sauf la gravité). Son élégance réside dans sa capacité à justifier l'existence de centaines de particules et d'interactions complexes avec un minimum de constituants et d'interactions élémentaires. Voici les idées clé : 2 sortes de particules Les particules de matière : le Modèle Standard dit que la plupart des particules de matière que nous connaissons sont actuellement composées de constituants élémentaires appelés quarks. les électrons, les protons, les neutrons ou les quarks Les particules messagères : chaque type de force est "véhiculée" par une particule messagère (comme le photon, par exemple, pour la force électromagnétique).  les photons, les bosons W et Z Pour chaque particule de matière, il y a une particule correspondante d'antimatière même masse charge électrique opposée Ce qui rend le Modèle Standard si "simple" c'est qu'il explique que toutes les particules observées peuvent être obtenues à partir de 12 constituants élémentaires : 6 leptons, et leurs antiparticules ; 6 quarks, et leurs antiparticules ; et des particules messagères. Les quarks et les leptons, sont classés en trois groupes distincts. On appelle chacun de ces groupes une famille de constituants élémentaires. Une famille est un groupe formé d'un quark et d'un lepton de chaque type de charge, soient quatre constituants. Chaque famille tend à être plus lourde que le groupe précédent.   Toute la matière visible dans l'univers est faite de constituants de la première famille : les quarks up et down, et les électrons. Les particules de la 2ème et de la 3ème famille sont instables, et se désintègrent en particules de la 1ère famille. C'est la raison pour laquelle toute la matière stable de l'univers est faite des constituants de la première famille.  Le LPSC étudie des particules éphémères créées en laboratoire (à l’aide d’accélérateurs) ou celles qui viennent de l’espace et qui ont été produites à différents moments de l’évolution de l’univers. Ces activités de physique expérimentales exigent la mise au point d’appareils de mesure de plus en plus performants et sophistiqués et nécessitent le développement d’une instrumentation spécifique. Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Accélérateur de particules Pour connaître la matière, on a besoin d’accélérateur de particules = super microscope les accélérateurs peuvent produire des collisions de deux types : avec une cible fixe : on envoie une particule sur une cible immobile avec des anneaux de collision : 2 faisceaux de particules sont envoyés l'un contre l'autre. Cela crée une grande concentration d’energie et permet de créer des particules qui n’existent pas dans la matière ordinaire (durée de vie très courte) E = m c2 Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Accélérateurs de particules fonctionnement des accélérateurs On accélère des particules chargées Ex : électron (-) , proton (+). Pour accélérer un proton, on l’attire par une charge et on le repousse par une charge Quand un proton passe du pole + au pole , il prend de la vitesse Pour aller de plus en plus vite, il faut mettre une succession de « piles » en inversant les polarités et avec le bon rythme - + - + + - Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Accélérateurs de particules deux formes d’accélérateurs : linéaire : les LINACS, dans lesquels les particules partent d'une extrémité et ressortent de l'autre... circulaire : les cyclotrons, synchrocyclotrons et autres synchrotrons, dans lesquels les particules tournent et tournent, et tournent... Cyclotrons principe Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ électrique alternatif à des énergies de quelques MeV à une trentaine de MeV. D’autres types d’accélérateur circulaire, d’invention plus récente, permettent d’atteindre des énergies supérieures : synchrocyclotron (centaines de MeV) et synchrotron (millions de MeV, ou TeV). Dans un cyclotron le champ magnétique est appliqué perpendiculairement dans une chambre vide en forme de disque, laquelle contient deux électrodes semi-circulaires en forme de D. Les portions rectilignes de ces électrodes se font face. Le flux d’électrons ou d’ions traversant un champ magnétique perpendiculaire est soumis à une force perpendiculaire à la direction du mouvement (ce principe est utilisé pour le fonctionnement des moteurs électriques). Ici, dans le vide, ces particules chargées suivent un parcours circulaire. Si les particules perdent de l’énergie elles suivront une spirale intérieure. Si l'appareil est capable d'augmenter leur énergie elles suivront une spirale en expansion. C'est ce principe qui est utilisé dans un cyclotron. Une tension alternative de haute fréquence est appliquée aux électrodes en D, ce qui accélère les particules à chacun de leurs passages de l'une à l'autre. Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Echelle d’énergie g Rayon cosmique le plus énergétique observé ZeV (zeta) EeV (exa) GeV (giga) PeV (peta) TeV (tera) MeV (méga) keV (kilo) eV (électron-volt) 1021 1018 1015 1012 103 109 106 1 Pile à 1 Euro Tube TV Accélérateur électrostatique Réacteur nucléaire Synchrocyclotron Synchrotron (LHC : 14 TeV) Supernovae Étoiles à neutrons Noyaux actifs de galaxies Rayon cosmique le plus énergétique observé Limite (?) technologie humaine molécule dans l’air électron dans une aurore polaire particules émises par les éléments radioactifs 1 eV = 1,602  · 10–19 J g X Visible IR L’énergie la plus élevée que peut atteindre un accélérateur de particules (le LHC –Large Hadron Collider- actuellement en fin construction au CERN à Genève) est d’une dizaine de TeV (1013 eV). Le LHC, pour atteindre de telles performances, a dû être installé dans un tunnel, sous ultra-vide, de 27 km de circonférence (équivalent aux boulevards périphériques de Paris). Cette énergie constitue l’ordre de grandeur de ce qu’on peut espérer atteindre dans une machine de construction humaine (pour des raisons technologiques aussi bien qu’économiques). Les accélérateurs cosmiques peuvent visiblement dépasser d’un facteur d’au moins cent millions les performances des machines humaines : l’énergie du rayon cosmique le plus énergétique observé est 3x1020 eV. Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

les rayons cosmiques  La Terre est en permanence bombardée de particules qui viennent du cosmos. Les rayons cosmiques contribuent pour ~15% à la radioactivité naturelle totale (moins que la radioactivité du sol) En moyenne, au sol : 200 µ par seconde et m2 La photo représente une « aurore boréale » (ou polaire). C’est un phénomène dû à l’ionisation des gaz atmosphériques par les rayons cosmiques chargés de faible énergie dont les trajectoires suivent les lignes du champ magnétique terrestre. Ces lignes de champ, comme celles d’un aimant, partent du Pôle Nord et aboutissent au Pôle Sud, d’où ce phénomène particulièrement spectaculaire observable essentiellement dans les régions polaires. L’étude des rayons cosmiques a été le point de départ de la physique des particules, avant la construction des accélérateurs de particules. Grace aux rayons cosmiques, on a découvert : 1932 : positron e+ Prédit par P. Dirac en 1930 dans une trace de RC 1936 : muon m Semblable à l’électron mais 200 fois plus massif 1947 : pion p au pic du Midi cas des neutrinos : Plusieurs centaines de milliers de milliards de n traversent votre corps chaque seconde un seul arrêté par votre corps pendant toute votre vie Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007

Visite du LPSC Les détecteurs de rayons cosmiques L’exposition LHC Chambre à brouillard Chambre à étincelles L’exposition LHC Les posters Les trains des particules La plateforme « accélérateurs » ou la plateforme « plasma » Les appareillages que l’on va voir lors de la visite ne sont plus utilisés dans les expériences, mais le sont pour permettre la visualisation des particules (cosmiques, radioactivité) et sont des outils pédagogiques. D’autres réalisations se trouvent ailleurs dans le monde, et d’autres seront dans l’espace... Aussi une ouverture vers la société et l'interdisciplinaire . Ex: Les cyclotrons sont très utilisés dans le domaine médical Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007