Trois idées essentielles: la

notion de particule « élémentaire » et d’espace vide, les

interactions

Vème siècle avant J.C. : Philosophie d’Empédocle Vème siècle avant J.C. : Philosophie d’Empédocle Théorie des 4 élémentsThéorie des 4 éléments

La combinaison ou la dissociation des quatre éléments La combinaison ou la dissociation des quatre éléments fondamentaux de la nature : la terre, l’eau, l’air et le fondamentaux de la nature : la terre, l’eau, l’air et le

feu étaient à la base de tous les changements observés. feu étaient à la base de tous les changements observés. L’eau et surtout le feu étaient considérés comme L’eau et surtout le feu étaient considérés comme pouvant provoquer la fin d’un cycle cosmique, à pouvant provoquer la fin d’un cycle cosmique, à travers le travers le kataclysmoskataclysmos (déluge) et l’ (déluge) et l’ekpyrosisekpyrosis (feu (feu

cosmique) et ramener ainsi la régénération périodique cosmique) et ramener ainsi la régénération périodique de la vie.de la vie.

Au 4ème siècle avant J.C. Démocrite pense que la matière est Au 4ème siècle avant J.C. Démocrite pense que la matière est formée de grains formée de grains indivisibles indivisibles : les atomes (: les atomes (atomosatomos : qu'on ne : qu'on ne

peut diviser).peut diviser).Ces atomes sont en Ces atomes sont en mouvement dans le videmouvement dans le vide et peuvent et peuvent

s’emboîter ensemble (atomes crochus) s’emboîter ensemble (atomes crochus) Mais sa démarche n'est que philosophique (le rôle de Mais sa démarche n'est que philosophique (le rôle de

l’observation n’est pas prépondérant). l’observation n’est pas prépondérant).

Idées du changement Idées du changement perpétuel et perpétuel et élémentaritéélémentarité

•La philosophie va accorder sa préférence à la théorie des quatre éléments (Aristote, développement de l’alchimie): Rejet du Vide…

•Résurrection de la théorie de Leucippe et Démocrite au XVII-XVIIIème siècle avec Newton: Concepts de point matériel, d’interactions (les forces) et d’espace absolu (substrat de la géométrie d’Euclide identifiée au vide de Démocrite).

Bases de la Physique moderne (matérialisme)

•Réintroduction de l’atome par Dalton et des combinaisons atomiques au XIXème siècle: Atomes inaltérables dotés d’une masse mesurable (théorie quantitative) qui diffère d’un type d’atome à l’autre (éléments) . Les combinaisons préfigurent la notion de réaction chimique.

Bases de la chimie moderne

Les ingrédients de la représentation moderne de la matière sont déjà là: Elémentarité, interactions entre particules, rôle du cadre spatio-temporel dans la dynamique des particules, relation matière/espace-temps.

Notre univers est quantique à toutes Notre univers est quantique à toutes les échelles: des particules les échelles: des particules

élémentaires (quarks, leptons, …) élémentaires (quarks, leptons, …) dont elle décrit les interactions aux dont elle décrit les interactions aux

particules composées (noyau, atomes, particules composées (noyau, atomes, molécules…)…molécules…)…

Echelles microscopiques: 10-16 m (1 millionième d’angstroms) à qqs 10-10 m (Angstrom: taille

de l’atome d’H)

Aux échelles mésoscopiques (qqs dizaines à qqs centaines de nm ): systèmes vivants, électronique, …

… … la matière en très gros: Etoiles la matière en très gros: Etoiles ( naines blanches, pulsars, trous noirs, ( naines blanches, pulsars, trous noirs,

…)…)

Et l’univers primordial!!Et l’univers primordial!!

Le mécanisme d’échange

Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de

Rayonnement (boson intermédiaire)

La portée D de l’interaction diminue lorsquela masse de la particule échangée augmente

/ BD m c

Bm

+ - + -e + e e + e

+e +e

-e

γ échange d’un photon

-eγm = 0

γq = 0

Portée infinie !!

Diffusion électron-positron

Faisceau incident (particules sondes, lumière, …)

Cible

Particules diffusées et/ou créées

Plus l’énergie du faisceau incident est élevée, plus faible est l’échelle sondée Plus l’énergie du faisceau incident est élevée, plus faible est l’échelle sondée (course aux hautes énergies): révélation de la structure intime de la matière(course aux hautes énergies): révélation de la structure intime de la matière

. /Ech de longueur sondée c E

Détection/Analyse

Projection d’un faisceau Projection d’un faisceau sur cible fixesur cible fixe

Projection d’un faisceau Projection d’un faisceau sur cible fixesur cible fixe

Exemple historique

En 1911: Rutherford étudie les particules

Diffusion par la matière

Découverte du noyau atomiqueDécouverte du noyau atomique

Modèle planétaire de l’atome

Principe* une source de particules: p, e- ou ions+ (ionisation

d’atomes par une décharge électrique)* Champs électriques pour accélérer ces particules*Champs magnétiques pour le guidage du faisceau

Principe* une source de particules: p, e- ou ions+ (ionisation

d’atomes par une décharge électrique)* Champs électriques pour accélérer ces particules*Champs magnétiques pour le guidage du faisceau

Collision de faisceaux Collision de faisceaux circulant en sens inversecirculant en sens inverse

Collision de faisceaux Collision de faisceaux circulant en sens inversecirculant en sens inverse

Configuration du Configuration du collisionneurcollisionneur

Configuration du Configuration du collisionneurcollisionneur

Particule chargée (q)

Particule chargée (q)

Champ électriqueChamp électrique

Champ magnétiqueChamp magnétique

Particule chargée (q)

Particule chargée (q)

Préfixe Téra (T)= 10Préfixe Téra (T)= 101212Préfixe Téra (T)= 10Préfixe Téra (T)= 101212

Préfixe Giga (G)= 10Préfixe Giga (G)= 1099Préfixe Giga (G)= 10Préfixe Giga (G)= 1099

Préfixe Méga (M)= 10Préfixe Méga (M)= 1066Préfixe Méga (M)= 10Préfixe Méga (M)= 1066

L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une

tension de 1 Volttension de 1 Volt

L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une

tension de 1 Volttension de 1 Volt

Energie de collision Energie de collision 7 TeV

Le Préfixe Téra Le Préfixe Téra (T)= 10(T)= 101212

Champ magnétique dipolaire pour faire circuler les protons à 7 TeV

8,33 T (Teslas)

Le Champ magnétique permet d’infléchir le faisceau de particules (trajets circulaires)

Tesla: Unité de Tesla: Unité de Champ Champ

magnétiquemagnétique

Intensité du faisceau de protonsIntensité du faisceau de protons0,56 A

(Ampère)

Espace entre les boufféesEspace entre les bouffées 7,48 m

L.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de HadronsL.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de Hadrons

27 km de circonférence27 km de circonférence

100 m sous terre100 m sous terre

Détecteur ALICEDimensions : 26 m de long, 16 m de

large, 16 m de haut  Poids : 10 000 tonnes

Collision d’ ions plomb pour recréer en laboratoire les conditions qui régnaient juste

après le Big Bang. Etude du plasma quarks-gluons : Les

collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de

100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil

* CMS = détecteur polyvalent * CMS = détecteur polyvalent * Recherche du boson de Higgs et * Recherche du boson de Higgs et d’autres dimensions spatialesd’autres dimensions spatiales* Quête des constituants la matière noire* Quête des constituants la matière noire

Détecteur CMSDimensions : 21 m de long, 15 m

de large et 15 m de haut Poids : 12 500 tonnes

Large Hadron Collider beautyDimensions : 21 m de long, 13 m de large

et 10 m de haut Poids : 5600 tonnes

LHCb destiné à comprendre l’asymétrie matière/antimatière LHCb destiné à comprendre l’asymétrie matière/antimatière (pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué (pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué

entièrement de matière et pas d’antimatière)entièrement de matière et pas d’antimatière)Etude des différences entre matière et antimatière en étudiant un type Etude des différences entre matière et antimatière en étudiant un type de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Recréation des de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Recréation des premiers instants du Big Bang où les paires de quarks b/antiquarks b premiers instants du Big Bang où les paires de quarks b/antiquarks b

auraient été produitesauraient été produites

Le détecteur ATLASDimensions : 46 m de long,

25 m de large, 25 m de haut Poids : 7000 tonnes

Recherche du boson de Higgs: Etude de l’origine de la masse des particules

Nature de la matière noire (Supersymétrie)Recherche de partenaires supersymétriques des particules

Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont prérefroidis à l’azote liquide (10 080 tonnes) à une

température -193,2°C (80 K) puis portés à -271.3 °C (1.9 K) à l’aide d’Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide )