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 )