A la recherche du boson de Higgs

Documents pareils
Où est passée l antimatière?

8/10/10. Les réactions nucléaires

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Quelques liens entre. l'infiniment petit et l'infiniment grand

Fig. 1 Le détecteur de LHCb. En bas à gauche : schématiquement ; En bas à droite: «Event Display» développé au LAL.

Chapitre n 6 MASSE ET ÉNERGIE DES NOYAUX

Lycée Galilée Gennevilliers. chap. 6. JALLU Laurent. I. Introduction... 2 La source d énergie nucléaire... 2

Contribution à l analyse des premières données de l expérience CMS au LHC.

Chapitre 6. Réactions nucléaires. 6.1 Généralités Définitions Lois de conservation

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

Équivalence masse-énergie

La physique nucléaire et ses applications

Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre)

Chap 2 : Noyaux, masse, énergie.

LE COSMODETECTEUR : UN EXEMPLE DE CHAÎNE DE MESURE

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

La vie des étoiles. La vie des étoiles. Mardi 7 août

PHYSIQUE QUANTIQUE ET STATISTIQUE PHYS-H-200

FICHE 1 Fiche à destination des enseignants 1S 16 Y a-t-il quelqu un pour sauver le principe de conservation de l énergie?

C4: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

ASTROPHYSIQUE. Aurélien Barrau et Gaëlle Boudoul sont chercheurs à l Institut des sciences nucléaires de Grenoble (CNRS/université Joseph-Fourier).

5 >L énergie nucléaire: fusion et fission

Les équations n ont pas de préjugés

Compétence 3-1 S EXPRIMER A L ECRIT Fiche professeur

Lycée français La Pérouse TS. L énergie nucléaire CH P6. Exos BAC

Qu est-ce qu un ordinateur quantique et à quoi pourrait-il servir?

Un miroir brisé qui fait le bonheur des physiciens

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

A retenir : A Z m n. m noyau MASSE ET ÉNERGIE RÉACTIONS NUCLÉAIRES I) EQUIVALENCE MASSE-ÉNERGIE

TD 9 Problème à deux corps

PHYSIQUE Discipline fondamentale

Interactions des rayonnements avec la matière

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Orthoptiste / stage i-prépa intensif -

Stage : "Développer les compétences de la 5ème à la Terminale"

NOYAU, MASSE ET ENERGIE

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Principe et fonctionnement des bombes atomiques

L'ÉNERGIE ET LA MATIÈRE PETITE EXPLORATION DU MONDE DE LA PHYSIQUE

Transformations nucléaires

Transformations nucléaires

Energie Nucléaire. Principes, Applications & Enjeux. 6 ème /2015

Introduction à la physique nucléaire et aux réacteurs nucléaires

Chapitre 7 - Relativité du mouvement

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

Photons, expériences de pensée et chat de Schrödinger: une promenade quantique

I. Introduction: L énergie consommée par les appareils de nos foyers est sous forme d énergie électrique, facilement transportable.

Origine du courant électrique Constitution d un atome

Chapitre 5 : Noyaux, masse et énergie

La physique quantique couvre plus de 60 ordres de grandeur!

Chap 8 - TEMPS & RELATIVITE RESTREINTE

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

EPREUVE COMMUNE DE TIPE 2009 partie D ANALYSES RADIOCHIMIQUES ET ISOTOPIQUES : LES TRACEURS RADIOACTIFS

Chapitre 2 RÉACTIONS NUCLÉAIRES

w L atome w De l infiniment grand à l infiniment petit

Les rayons cosmiques primaires chargés

Sujets de mémoires Master Physique Institut de Physique Nucléaire (FYNU/CP3) Année Académique

Chapitre 15 - Champs et forces

Historique. Les radiations nucléaires 1

Assemblée générale. Nations Unies A/AC.105/C.1/L.320

Les rayons X. Olivier Ernst

DM 10 : La fusion nucléaire, l énergie de l avenir? CORRECTION

C3. Produire de l électricité

TPE : La voiture solaire. Présentation de Matthys Frédéric, Soraya Himour et Sandra Thorez.

PHY113 : Cours de Radioactivité

ÉNERGIE : DÉFINITIONS ET PRINCIPES

Bases de la mécanique quantique

- I - Fonctionnement d'un détecteur γ de scintillation

Chapitre 9 : fusion nucléaire dans les étoiles et fusion nucléaire contrôlée

L ÉLECTRICITÉ C EST QUOI?

MATIE RE DU COURS DE PHYSIQUE

DIFFRACTion des ondes

a. Fusion et énergie de liaison des noyaux b. La barrière Coulombienne c. Effet tunnel & pic de Gamov

AIDE-MÉMOIRE LA THERMOCHIMIE TABLE DES MATIERES

Reconstruction et identification des électrons dans l expérience Atlas. Participation à la mise en place d un Tier 2 de la grille de calcul.

Complément: Sources naturelles de rayonnement

L ÉLECTRICITÉ, C EST QUOI?

Manuel d'utilisation de la maquette

Mécanique Quantique EL OUARDI EL MOKHTAR LABORATOIRE MÉCANIQUE & ÉNERGÉTIQUE SPÉCIALITÉ : PROCÈDES & ÉNERGÉTIQUE. dataelouardi@yahoo.

Le second nuage : questions autour de la lumière

Panorama de l astronomie

Dossier «L énergie nucléaire»

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

L ÉNERGIE C EST QUOI?

Cours d électricité. Introduction. Mathieu Bardoux. 1 re année. IUT Saint-Omer / Dunkerque Département Génie Thermique et Énergie

3 - Description et orbite d'un satellite d'observation

Physique: 1 er Bachelier en Medecine. 1er juin Duree de l'examen: 3 h. Partie 1: /56. Partie 2 : /20. Nom: N ō carte d étudiant:

Comment dit-on qu'une étoile est plus vieille qu'une autre ou plus jeune qu'une autre?

INTRODUCTION A LA FUSION THERMONUCLEAIRE

Sur une possible fusion nucléaire quasi-catalytique à basse température

Radioactivité et chimie nucléaire

La Fusion Nucléaire (Tokamak) Nicolas Carrard Jonathan Carrier Guillomet 12 novembre 2009

Chapitre I- Le champ électrostatique. I.1.1- Phénomènes électrostatiques : notion de charge électrique

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

par Alain Bonnier, D.Sc.

A) Les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles comme le Soleil.

Baccalauréat STI2D et STL spécialité SPCL Épreuve de physique chimie Corrigé Session de juin 2014 en Polynésie. 15/06/2014

La fusion nucléaire. Le confinement magnétique GYMNASE AUGUSTE PICCARD. Baillod Antoine 3M7 29/10/2012. Sous la direction de Laurent Locatelli

3 Charges électriques

Transcription:

Le carnaval de la physique A la recherche du boson de Higgs

Plan Présentation du modèle standard de la physique des particules Qu'est ce qu'un accélérateur de particules? Qu'est ce que le LHC au CERN? Comment détecte-t-on ces particules? Qu'est ce que le boson de Higgs? Comment le traquer expérimentalement au LHC?

Qu'est ce que la physique des particules? La physique des particules étudie les particules élémentaires. Une particule élémentaire est une particule de la matière que l'on ne peut diviser. En associant ses briques élémentaires, on reconstruit toute la matière présente dans l'univers.

A la découverte de la première particule élémentaire... En 1897, J. J. Thomson découvre l'électron en étudiant les rayons cathodiques (tubes cathodiques dans les «anciennes télévisions») «J'ai découvert la première particule élémentaire : l'électron.» électron Les électrons tournent autour du noyau. noyau Les électrons sont des particules ayant une charge électrique négative. Atome

Les protons et le neutrons sontils des particules élémentaires? Compositivité du noyau neutron Qu'est ce qui maintient la cohésion des protons et des neutrons dans le noyau? charge nulle proton découvert par Chadwick en 1932 charge positive Présence d'une nouvelle force : la force nucléaire Manifestation de l'interaction forte entre les particules qui composent les nucléons : 1963 les quarks Les quarks sont des particules élémentaires Charge électrique quark u : +2/3e quark d : -1/3e

Une nouvelle particule élémentaire : le neutrino La radioactivité : Découverte par Becquerel en 1896 Etudiée par Pierre et Marie Curie 14 C État instable Neutron Energie initiale proton = + 14 N État stable électron Energie finale Pour résoudre ce problème d'énergie manquante, Pauli postule en 1931 l'existence d'une nouvelle particule : le neutrino

Une nouvelle particule élémentaire : le neutrino La radioactivité : Découverte par Becquerel en 1896 Etudiée par Pierre et Marie Curie 14 14 C N État stable État instable Neutron Energie initiale proton = + électron + neutrino Energie finale Pour résoudre ce problème d'énergie manquante, Pauli postule en 1931 l'existence d'une nouvelle particule : le neutrino

Une grande découverte : les anti-particules A partir de la célèbre équation d'einstein E² = (mc2)², Dirac montre qu'il existe 2 solutions : E = + mc2 : particule d'énergie positive comme un électron E = - mc2 : particule d'énergie négative? En 1928, Dirac postule l'existence des antiparticules. A chaque particule correspond son antiparticule qui a la même masse mais qui a une charge opposée : «Avec mes formules, j'ai découvert un électron de charge positive!!!» En 1932, Anderson découvre l'antiparticule de l'électron baptisée le positon «J'ai découvert grâce à l'étude des rayons cosmiques un électron positif» EN 1995, le CERN fabrique en laboratoire le premier anti-atome : L'antihydrogène composé d'un anti-électron et d'un antiproton.

Les briques élémentaires de la matière Chaque particule (électron, neutrino...) a une antiparticule associée (positon, antineutrino) de même masse mais de charge électrique opposée : 12 particules élémentaires + 12 antiparticules élémentaires

Qu'est ce qu'une force? Les particules (électrons, protons, neutrino...) interagissent par l'intermédiaire d'une force (électrique, gravitation...). Cette force se matérialise par un échange entre ces particules d'une particule messagère (ballon) Particule A Particule B Plus une particule messagère aura une masse importante, plus la force sera de courte portée

Les briques élémentaires de la matière : les bosons Aujourd'hui, on connait quatre forces : A chaque force sont associée une ou plusieurs particules messagères. forces exemples Particules messagères force de gravitation Rotation des planètes, chute d'une pomme graviton? force électromagnétique Aimant, interaction entre particules chargées photon force nucléaire forte Cohésion des protons et neutrons dans le noyau gluon force nucléaire faible radioactivité

Une multitude de nouvelles particules? En associant les particules élémentaires, on peut créér d'autres particules : - avec de 3 quarks - avec un quark et un antiquark :

Une multitude de nouvelles particules? Les pions ont été découverts en 1947 en envoyant un ballon sonde à très hautes altitudes pour étudier les rayons cosmiques (flux de particules venant de l'univers : explosion d'étoile, soleil...). Depuis de nombreuses particules subatomiques ont été découvertes en associant les quarks et/ou les anti-quarks selon des règles bien précises. Les nouvelles particules à découvrir sont très énergétiques (masse élevée). Malheureusement, les nouvelles particules sont rares dans les rayons cosmiques. Il faut une nouvelle technologie : les accélérateurs de particules.

La fameuse équation E = mc2 En 1905, Einstein montre l'équivalence masse-énergie par sa célèbre équation : E = mc2 - On peut donc créer de l'énergie à partir de la masse :

E = mc2 à l'origine des accélérateurs de particules A partir du principe d'équivalence E = mc2, on peut donc créer de la masse (particules) à partir de l'énergie : c'est ce principe qui est à l'origine de la construction des accélérateurs de particules à travers le monde. Comment créé-t-on de nouvelles particules en laboratoire? On accélère des particules pour augmenter leur énergie cinétique. On les fait entrer en collision. Dans ce flot d'énergie, de nouvelles particules émergent d'après E = mc2 On détecte ces nouvelles particules avec les détecteurs adéquats. Accélérateur circulaire : le tevatron au Fermilab aux EtatsUnis : en fonctionnement

Les accélérateurs de particules à travers le monde Le LEP au CERN à Genève : - Collisionneur électron-antiélectron - anneau de 27 km de circonférence - Les électrons sont accélérés jusqu'à 0,1TeV - Découverte des bosons W+, W- et Z - Fermé en 2000 Tevatron au Fermilab à Chicago : - Collisionneur proton-antiproton - anneau de 7 km de circonférence - Les protons sont accélérés jusqu'à 1 TeV - Découverte du quark top en 1995 - En fonction 1 TeV = C'est l'énergie cinétique d'un électron, initialement au repos, accéléré sous une tension de mille milliard de volt = 1000 000 000 000 V!

Les accélérateurs de particules à travers le monde : le LHC Le LHC au CERN à Genève en quelques chiffres : UN DEFI TECHNOLOGIQUE - collaboration internationale - collisionneur proton-proton - anneau de 27 km de circonférence - les protons sont accélérés jusqu'à 7 TeV - un proton effectue 11 000 tours d'anneau par seconde. - 9 593 électroaimants supraconducteurs - 4 détecteurs : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb - 600 millions de collisions proton-proton par seconde enregistrables pour chaque inauguré en septembre 2008 détecteur

Comment fonctionne un accélérateur de particules? Comment accélère-t-on les particules? Une particule chargée soumise à une différence de potentiel est accélérée. Comment faire tourner les particules dans l'anneau circulaire? On courbe la trajectoire des particules chargées (électron, proton...) par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Au LHC, pour courber la trajectoire des particules d'une énergie de 7 TeV, il faut des champs magnétiques très intenses. On utilise des électroaimants supraconducteurs refroidis par de l'hélium liquide (proche de 0 K).

Le détecteur ATLAS du LHC ATLAS animation ATLAS en quelques chiffres : Construction : 20 ans Enterrée 100 m sous terre Longueur : 46 m Hauteur : 25 m Poids : 7000 tonnes Collaboration de 167 laboratoires issus de 37 pays soit 1800 scientifiques. 1 000 000 000 de collisions proton-proton par seconde... Si on voulait enregistrer toutes ses données : il faudrait une pile de CD de 100 m de haut par seconde!!! Heureusement, en moyenne environ 1 collision sur 5 000 000 est intéressante. Un système de déclenchement (trigger) sélectionne automatiquement les collisions intéressantes.

Comment détecte-t-on les particules? Un exemple : le calorimètre d'atlas : Électronique d'acquisition photomultiplicateur Plomb Particules (pion, proton, neutron...) 01001 Photon = lumière Signal électrique On a ainsi accès aux informations suivantes concernant ces particules : la trajectoire, la masse, l'énergie, l' impulsion, la charge,...

Qu'est ce que le boson de Higgs? Il existe des particules élémentaires 1000 milliard de fois plus lourde que d'autres Pourquoi les masses des particules élémentaires sont aussi variées? Comment expliquer que les particules élémentaires aient une masse? En 1964, Higgs pense avoir trouvé un élément de réponse : Dans tout l'espace règne un champ (appelé champ de Higgs) Plus une particule élémentaire interagit fortement avec le champ de Higgs, plus sa masse est élevée. Comme toute interaction (gravitation, électromagnétisme, nucléaire...), elle possède une particule messagère : le boson de Higgs.

L'énigme de la masse des particules et le boson de Higgs Une célébrité (la particule) entre dans une pièce et la foule (chaque individu est un boson de Higgs) s agrège autour d elle et ralentit sa progression (sa masse augmente)

Conclusion La matière est composée de particules élémentaires (électron, muon, quark, neutrino, photon, gluon...) : ce sont les briques élémentaires de l'univers. C'est le modèle standard Pour expliquer la masse des particules élémentaires : boson de Higgs. Si le boson de Higgs existe : l'énergie disponible au LHC est nécessaire pour le trouver! Le LHC pourrait donner des éléments de réponses concernant : Les particules supersymétrique (candidats pour expliquer la composition de la matière noire) L'asymétrie matière - antimatière Le plasma de quarks et de gluons Mais on peut s'attendre également à quelques surprises...car on n'a jamais sondé la matière à de telles énergies!!!

Sur le net : Site du CEA : animations et dossiers sur l'énergie, le climat, la physique nucléaire, la radioactivité, l'imagerie médicale... qui sont des thèmes majeurs pour le monde de demain! http://www.cea.fr/jeunes/themes Site EDF : énergies renouvelables + voiture à air comprimé Quelques livres : - «La nature de la physique» de R. Feynman - «L'heure de s'enivrer» de H. Reeves - «Une brève histoire du temps» de S. Hawking