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

17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse

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Le monde de l’invisible

Les particules élémentaires

D. Verkindt, LAPP


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Etudier les phénomènesde la nature…

Rechercher les lois cachées derrière ces phénomènes…


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Expérimenter au-delà de nos sens…Expérimenter au-delà de nos sens…


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Interpréter les résultats… mais pas trop vite


5

Interpréter les résultats… mais pas trop vite


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• 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!

Quelques ordres de grandeur


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Entrée dans le monde de l’invisible

10 mètres

Un rosier


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0.1 mètre = 10 cm

Une mouche sur une feuille du rosier


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10-3 mètre = 1 mm

L’œil de la mouche


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Détecteurs d’invisible

Le microscope optique

Cellules d’oignon

10 micron


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10-5 mètre = 10 microns

Un cil sur l’œil de la mouche


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Le microscope électronique

Premier microscope électronique: E. Ruska et M. Knoll , 1932 (prix Nobel 1986)

Microscope optique Microscope électroniquefaisceau de lumière faisceau d’électrons lentilles optiques lentilles électromagnétiques résolution 0,5 micromètre résolution 0,0002 micromètre

= h / p = longueur d’onde

h = constante de Planck

p = impulsion de la particule = mv

0.1 micron

Chloroplaste dans une cellule végétale


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10-7 mètre = 0.1 micron

La base du cil et les cellules qui forment l’œil de la mouche


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Quelques ordres de grandeurLe petit…

Il faut autant de cellules pour faire un corps humain que d’étoiles pour faire une galaxie (100 milliards)


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10-8 mètre = 100 Angströms

Le brin d’ADN dans le noyau d’une cellule


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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.

Premier microscope à effet tunnel: G. Binnig et H. Rohrer en 1981 (IBM, Zürich), prix Nobel 1986

Le microscope à effet tunnel

Voir aussi: http://www.cndp.fr/themadoc/micro3/rep_mcp.htm

http://www.specs.de/products/stm/STM-features.htm


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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


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Quelques ordres de grandeurLe très petit…

Il faut autant d’atomes pour faire une orange

que d’oranges pour remplir la Terre


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10-14 mètre = 10 fermis

Le noyau de l’atome de carbone (dessin)


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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


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Expérience ALEPH, au CERN


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10-15 mètre = 1 fermi

Un proton dans le noyau (dessin)

Le proton contient trois quarks


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Au bout du monde de l’invisible

Physique nucléaire et physique des particules


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Les particules élémentairesconnues en 2006


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Les forces

Interaction forte

gluon

quark

quark10-14 m


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Les forces

Interactionélectromagnétique

photon

électronquark

milliards de km


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Les forces

Interaction faible

W+

neutrinoquark

10-14 m

n → p + e- + e

W+ W- Z0


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Unification des interactions

1 GeV = 1.6 1010 Joules

102 105 1010 1015 GeV

interaction faible + interaction électromagnétique= interaction électrofaible

(1967-1973) Glashow, Salam, Weinberg

Besoin du boson de Higgs

Unification des 3 interactions: électromagnétique, faible, et forte


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Les forces

Interactiongravitationnelle

graviton

électronquark

milliards de km


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Petit résuméMatière et forces…

http://www.diffusion.ens.fr/vip/tableG00.html


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…Mais aussi l’antimatière

1928 : P. Dirac prédit l’existence de l’antimatière

Rencontre entre un électron et un anti-électron1993: le LEP au CERN

Trace d’un anti-électrondans la chambre à bulles de C. Anderson

1932: C. Anderson découvre l’anti-électron


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…Mais aussi l’antimatière (2)

A B

A B CPT(A) CPT(B)

C(A) C(B)

Trois transformations fondamentales:

P: inversion d’espace

C: matière antimatière

T: renversement du temps

CP(A) CP(B)


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P

C CPEscher


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≠

?

Droite Gauche

Droite

Gauche

Droite

Gauche

• Symétrie d’espace P violée:

• D’autres symétries sont-elles violées ? La symétrie C matière ↔ antimatière ?


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Aujourd’hui dans l’Univers

En tenant compte de l’évolution de l’Univers, ce rapport était dans le passé:

10105

photons

matière

photons

eantimatièrmatière

n

n

n

nnR

91036 R

• 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

Fond de rayonnement cosmologique mesuré aujourd’hui

Une condition:

la violation de CP


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La recherche d’antimatière cosmique

Pour observer de l’Antimatière dans l’espace, il « suffit » d’y envoyer un aimant

matière antimatière

Rayon cosmique

L’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)à laquelle participe le LAPP

est conçue pour l’observation de l’antimatière cosmique

Ainsi on peut compter les rayons cosmiques et les trier par types


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AMS 02

Contraintes spatiales

• Poids < 7 t

• 3 m x 3 m

• Consommation < 2 kW

• Résistance :

• Température -50° / +50°

• Vide

• Vibrations

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


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Les sous-détecteurs doivent être très précis, on veut être capables de rejeter :

1 proton dans 104 positons1 Helium dans 103 positons1 électron dans 102 positons1 proton dans 106 photons

Identification des particules dans AMS


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Petit historique


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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.


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Le mystère de la désintégration bêta

W. Pauli propose une nouvelle particule: le neutrino

e

e


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Le premier détecteur de neutrinos

Construit en 1956 par C. Cowan et F. Reines,auprès du réacteur nucléaire de Savannah River, USA

Eau+cadmium

1 neutrino sur 1020 interagit avec le détecteur !Réacteur: 1020 neutrinos/sDétecteur à 12m3 neutrinos détectés par heure


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SLAC: découverte des quarksdans 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 Zdans des collisions protons-antiprotons

CERN: seulement trois familles de particulesdans des collisions electrons-positrons

Fermilab: découverte du quark « top »dans des collisions proton-antiproton

1968

1974

1977

1983

1993

1995


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Des détecteur géants pour des particules minuscules…

Le detecteur ALEPH a étudié les collisions a haute énergie

SuperKamiokande traque les neutrinos du soleil

Les expériences d’aujourd’hui


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La théorie qui a tout changé…la Mécanique Quantique

E. Fermia décrit l’interaction

faible

W. Paulia prédit l’existence

du neutrino

P. Diraca prédit l’existence

de l’antimatière

L. De Brogliea prédit la dualité

onde-particule

Quelques uns des fondateurs


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Particule et Onde fonction d’onde:

E = H

Orbitale 2s Orbitale 2p Orbitale 3d z

Distribution de la probabilité de présence de l’électron dans l’atome

La mécanique quantiqueune nouvelle facon de voir l’invisible

http://hypo.ge.ch/physic/simulations/orbitales/orbitales.html

Ancienne façon de voir les électrons dans l’atome


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Expérience de Thomas Young: avec des photons

Le mystère de la mécanique quantique


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Le mystère de la mécanique quantique

Expérience de Thomas Young: avec des électrons


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Petites particules… grandes conséquences

La bombe thermonucléaire


51

Petites particules… grandes conséquences

La protonthérapie


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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)


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Démarche scientifique


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théorie

expérience

Incertitudes des modèlesDomaine de validité

Incertitudes expérimentalesInterprétations des résultats

La science sur deux pieds

On parle de science, lorsque les théories élaborées pour décrire la nature sont réfutables par

des expériences


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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.

Science: le pays des incertitudes


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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.

Science: le pays des incertitudes


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théorie

expérience

Applications concrètes : laser, télévision, avions, médicaments, lave-linge, vaccins, réseau électrique, fusée, téléphone...

éthique,avis des citoyens...

La science et la société sur trois pieds…

Incertitudes des modèlesDomaine de validité

Incertitudes expérimentalesInterprétations des résultats


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Culture scientifique: encore des effort à faire!…

Documents

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