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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. - PowerPoint PPT Presentation
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17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse
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Le monde de l’invisible
Les particules élémentaires
D. Verkindt, LAPP
17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse
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Etudier les phénomènesde la nature…
Rechercher les lois cachées derrière ces phénomènes…
17 Mars 2006 Visite LAPP, Lycee Jean Monnet, Annemasse
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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
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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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Entrée dans le monde de l’invisible
0.1 mètre = 10 cm
Une mouche sur une feuille du rosier
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Entrée dans le monde de l’invisible
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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Entrée dans le monde de l’invisible
10-5 mètre = 10 microns
Un cil sur l’œil de la mouche
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Détecteurs d’invisible
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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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
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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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Entrée dans le monde de l’invisible
10-8 mètre = 100 Angströms
Le brin d’ADN dans le noyau d’une cellule
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Détecteurs d’invisible
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
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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
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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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Entrée dans le monde de l’invisible
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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Détecteurs d’invisible
Expérience ALEPH, au CERN
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Entrée dans le monde de l’invisible
10-15 mètre = 1 fermi
Un proton dans le noyau (dessin)
Le proton contient trois quarks
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Entrée dans le monde de l’invisible
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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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…Mais aussi l’antimatière (3)
P
C CPEscher
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…Mais aussi l’antimatière (4)
≠
?
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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…Mais aussi l’antimatière (5)
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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…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
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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…Mais aussi l’antimatière (7)
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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…Mais aussi l’antimatière (8)
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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Des expériences qui ont tout changé
Le mystère de la désintégration bêta
W. Pauli propose une nouvelle particule: le neutrino
e
e
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Des expériences qui ont tout changé
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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Des expériences qui ont tout changé
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
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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!…