Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie 53
Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie 53 avenue des Martyrs – Grenoble Polygone scientifique Le LPSC vient de fêter ses 40 ans 1
De l’infiniment petit à l’infiniment grand … ¡ De quoi est faite la matière Physique subatomique l l l Physique nucléaire Physique hadronique Physique des particules Cosmologie l l Rayons cosmiques Fond cosmologique comprendre les structures et les lois de notre univers Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 2
Le Modèle Standard ¡ Les particules élémentaires Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 ¡ Les porteurs des interactions 3
Accélérateur de particules l l Pour connaître la matière, on a besoin d’accélérateur de particules = super microscope les accélérateurs peuvent produire des collisions de deux types : ¡ ¡ avec une cible fixe : on envoie une particule sur une cible immobile avec des anneaux de collision : 2 faisceaux de particules sont envoyés l'un contre l'autre. E = m c 2 l Cela crée une grande concentration d’energie et permet de créer des particules qui n’existent pas dans la matière ordinaire (durée de vie très courte) Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 4
Accélérateurs de particules ¡ fonctionnement des accélérateurs l On accélère des particules chargées ¡ l l l Ex : électron (-) , proton (+). Pour accélérer un proton, on l’attire par une charge et on le repousse par une charge + Quand un proton passe du pole + + au pole - , il prend de la vitesse Pour aller de plus en plus vite, il faut mettre une succession de « piles » en inversant les polarités + et - avec le bon rythme Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 - 5
Accélérateurs de particules ¡ deux formes d’accélérateurs : l l ¡ linéaire : les LINACS, dans lesquels les particules partent d'une extrémité et ressortent de l'autre. . . circulaire : les cyclotrons, synchrocyclotrons et autres synchrotrons, dans lesquels les particules tournent et tournent, et tournent. . . Cyclotrons l principe Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 6
Echelle d’énergie 10 21 Ze. V (zeta) 1 e. V = 1, 602 · 10– 19 J 1018 Ee. V (exa) 1015 Pe. V (peta) 1012 Te. V (tera) Synchrocyclotron 109 Ge. V (giga) Accélérateur électrostatique Réacteur nucléaire 106 Me. V (méga) Tube TV 103 ke. V (kilo) Pile à 1 Euro 1 Limite (? ) technologie humaine Synchrotron (LHC : 14 Te. V) Rayon cosmique le plus énergétique observé Noyaux actifs de galaxies e. V (électron-volt) Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 Étoiles à neutrons Supernovae particules émises par les éléments radioactifs g électron dans une aurore polaire X Visible 7 molécule dans l’air IR
les rayons cosmiques l La Terre est en permanence bombardée particules qui viennent du cosmos. l Les rayons cosmiques contribuent pour ~15% à la radioactivité naturelle totale (moins que la radioactivité du sol) l En moyenne, au sol : 200 µ par seconde et m 2 l cas des neutrinos : Plusieurs centaines de milliers de milliards de n traversent votre corps chaque seconde ¡ un seul arrêté par votre corps pendant toute votre vie Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 de ¡ 8
Visite du LPSC Le cyclotron (SARA) ¡ Les détecteurs de rayons cosmiques ¡ l l Chambre à brouillard Chambre à étincelles L’exposition LHC ¡ Les pièces de détecteurs exposés ¡ l Amphora, Wa 89, Delphi, Atlas Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 9
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Fiches de renseignements (anti-sèche) SARA ¡ Rayons cosmiques ¡ Chambre à brouillard ¡ Chambre à étincelles ¡ TPC Delphi ¡ Chambre WA 89 ¡ Pre-echantillonneur Atlas ¡ Historique ¡ Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 11
Ensemble SARA avec ses aires expérimentales Autres « services » Le gain d’énergie est de 5, 6 Conduisant à 40 Me. V/A max. 2. 2 à 6. 6 Me. V/A pour le premier cyclotron Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 12
Rayons cosmiques Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 13
Chambre à Brouillard : historique ¡ ¡ La chambre à brouillard fut inventée en 1912 par le physicien écossais C. Wilson (pris Nobel 1927). Le principe de cette chambre fut découvert en 1896, et utilisé tout d’abord pour tenter de reproduire la formation des nuages Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 14
Chambre à Brouillard : principe Un alcool, sous forme gazeuse, est placé dans des conditions de température et de pression où la moindre perturbation le fait passer à l’état liquide. Cette perturbation provient du passage d’une particule. L’effet est similaire à celui d’un avion qui laisse une trace dans le ciel Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 15
Chambre à Brouillard : principe ¡ l Chaque type de particule (proton, électron, positon) produit une trace caractéristique qui permet de l'identifier. utilisé jusque dans les années 1950, ce type de détecteur a été supplanté par la chambre à bulles, plus performante. Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 16
Chambre à étincelles Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 17
Principe de la chambre du LPSC Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 18
TPC de Delphi ¡ Delphi : une des 4 expériences du LEP Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 19
Schéma de principe de la TPC Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 20
Un secteur de la TPC ¡ Un secteur = une chambre proportionnelle Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 21
Trajectoires dans la TPC Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 22
Chambre à fils de WA 89 ¡ Expérience WA 89 au CERN (années 90) l Sur cible fixe Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 23
Principe d’une chambre à fils Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 24
* ATLAS-LPSC : pré-échantillonneur Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 25
Chronologie de la découverte de quelques particules Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 26
bonus Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 27
particules et échelle d’énergie ¡ Unités d’énergie ¡ Calorie : sur les produits alimentaires (kcal) l ¡ kilowatt-heure (k. Wh) : sur les factures EDF-GDF l ¡ Entre 0, 10 et 0, 13 € le k. Wh (mesurée en unité de temps) Joule : en Physique l l ¡ Ex : 1 cuillère à café de Nutella = 80 kcal 1 calorie = 4, 186 J 1 Watt-heure (Wh)= 3600 Joules Energie force (N) x longueur (m) puissance (W) x temps (s) 100 W 1 kg 1 m E=9, 81 J Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 1 h E=360 k. J 28
particules et échelle d’énergie ¡ Energie et infiniment petit + Électron q=1, 602 x 10 -19 C l E = 0, 000 000 000 16 J Exprimée en électron-Volt (e. V) dans le domaine des particules 1 e. V = 1, 602 · 10– 19 J 1 J = 6 240 000 000 000 e. V Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 29
De l’infiniment petit à l’infiniment grand … comprendre les structures et les lois de notre univers Cosmologie l l Rayons cosmiques Fond cosmologique Physique subatomique l l l Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 Physique des particules Physique hadronique Structure nucléaire et physique des réacteurs 30
Particules élémentaires ¡ Les constituants des atomes ¡ particules ordinaires stables l l Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 électrons Protons et autres noyaux Photons (grains de lumière) Neutrinos n (particules «fantomes » ) 31
Le Modèle Standard ¡ 2 sortes de particules : l les particules de matière ¡ l les particules messagères qui véhiculent les forces ¡ ¡ les électrons, les protons, les neutrons ou les quarks les photons, les bosons W et Z Pour chaque particule de matière, il y a une particule correspondante d'antimatière l l même masse charge électrique opposée Corinne Bérat - Fete de la science – octobre 2007 32
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