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Le monde de l’invisible Les particules élémentaires D. Verkindt, LAPP

Le monde de l’invisible Les particules élémentaires D. Verkindt, LAPP. Etudier les phénomènes de la nature… Rechercher les lois cachées derrière ces phénomènes…. Expérimenter au-delà de nos sens…. Interpréter les résultats… mais pas trop vite. Interpréter les résultats… mais pas trop vite.

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Le monde de l’invisible Les particules élémentaires D. Verkindt, LAPP

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Presentation Transcript

  1. Le monde de l’invisibleLes particules élémentairesD. Verkindt, LAPP Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  2. Etudier les phénomènesde la nature… Rechercher les lois cachées derrière ces phénomènes… Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  3. Expérimenter au-delà de nos sens… Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  4. Interpréter les résultats… mais pas trop vite Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  5. Interpréter les résultats… mais pas trop vite Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  6. Quelques ordres de grandeur • Longueurs (mètres) 10-15 m = taille d’un noyau d’atome1 m = vous4.10+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 Z01 s = vous10+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 moustique10+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! Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  7. Entrée dans le monde de l’invisible 10 mètres Un rosier Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

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

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

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

  12. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  13. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  14. Quelques ordres de grandeurLe petit… Il faut autant de cellules pour faire un corps humain que d’étoiles pour faire une galaxie (100 milliards) Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  16. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  17. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  18. Quelques ordres de grandeurLe très petit… Il faut autant d’atomes pour faire une orangeque d’oranges pour remplir la Terre Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  20. Quelques ordres de grandeurLe très très petit… Il faut autant de noyaux atomiques pour remplir un atome que d’oranges pour recouvrir 15 fois la France Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  21. Détecteurs d’invisible Expérience ALEPH, au CERN Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  23. Entrée dans le monde de l’invisible Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  25. Les particules élémentairesconnues en 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  26. Les forces Interaction forte gluon quark quark 10-14 m Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  27. Les forces Interactionélectromagnétique photon électron quark milliards de km Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  29. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  30. Les forces Interactiongravitationnelle graviton électron quark milliards de km Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  31. Petit résuméMatière et forces… http://www.diffusion.ens.fr/vip/tableG00.html Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  32. …Mais aussi l’antimatière 1928 : P. Dirac prédit l’existence de l’antimatière Trace d’un anti-électrondans la chambre à bulles de C. Anderson 1932: C. Anderson découvre l’anti-électron Rencontre entre un électron et un anti-électron1993: le LEP au CERN Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  33. …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) Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  35. …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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  36. …Mais aussi l’antimatière (5) 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  37. …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 LAPPest conçue pour l’observation de l’antimatière cosmique Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

  39. …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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  40. Petit historique Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

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

  43. Des expériences qui ont tout changé 1 neutrino sur 1020 interagit avec le détecteur ! Réacteur: 1020 neutrinos/sDétecteur à 12m3 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  44. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  45. 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  46. La théorie qui a tout changé…la Mécanique Quantique Quelques uns des fondateurs E. Fermia décrit l’interactionfaible W. Paulia prédit l’existencedu neutrino L. De Brogliea prédit la dualitéonde-particule P. Diraca prédit l’existencede l’antimatière Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

  47. La mécanique quantiqueune 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 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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

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

  50. Petites particules… grandes conséquences La bombe thermonucléaire Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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