La Physique au CERN

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  • La Physique au CERN 1) La dualit onde-par2cule et la mcanique

    quan2que

    2) La structure de la ma2re: des atomes aux quarks

    3) Les quatre forces fondamentales, le Modle Standard et le Higgs

    4) La vitesse de la lumire et la rela2vit 5) Les acclrateurs et les dtecteurs 6) Lobserva2on du cosmos

  • La structure de la ma2re

    Des atomes aux quark

  • Quan2fica2on de la ma2re Atome Noyau Les par2cules lmentaires An2ma2re Le rle des symtries en physique Les preuves exprimentales

  • De lexistence des atomes Lide dune cons2tu2on de la ma2re par2r de par2cules ul2mes a pu voir

    le jour bien avant les hypoth2ques atomes grecs

    atomos = indivisible. Les atomes sont-ils crochus ?(forces) Premire preuve: les cristaux ( 1800)

    Diamtre atomique 10-10 m = 0,1 nm = 1 angstrm Chimie : bataille pendant tout le XIX sicle

    (Dalton 1808, Avogadro 1811, Mendeleev 1869)

    Figure de diffrac2on dun cristal par rayon X von Laue (1912)

  • Table de Mendeleiev (1869)

    Chimie

    Elments classs par ordre croissant des poids atomiques Les lments dune mme colonne ont des proprits analogues

  • La ma2re est quan2fie 1905 ar2cle de Einstein sur le mouvement brownien:

    Dcrit pour la premire fois en 1827 par le botaniste Robert Brown en observant des mouvement de par=cules lintrieur de grain de pollen: mouvement alatoire dune grosse par=cule immerge dans un fluide. i) entre 2 chocs, la par=cule se dplace en ligne droite avec une vitesse constante ii) lorsquelle rencontre une molcule de fluide ou une paroi la grosse par=cule est acclre

    1982 on voit les atomes avec le microscope effet tunnel

    Image prise par un microscope effet tunnel. Ce=e image d'environ 5 nanomtres montre une surface de cuivre o les atomes de cuivre ont t confins l'intrieur d'un enclos quanGque de 48 atomes de fer. La barrire circulaire de fer a un rayon de 71,3 Angstrom (71,3x10-10 m). On voit les lectrons se comporter comme des ondes.

  • Les par2cules lmentaires

    e- (1897 Thomson) Noyau (1911 Rutherford)

    P (1919) n (1932 Chadwick)

    q ( 1964 Gell-Man)

    lmentaire : sans structure

    Mais latome nest pas indivisible !

  • Dcouverte de llectron J. J. Thompson (1897) Rayons cathodiques dvis par un champs lectrique (E) e- Combin avec un champs magn2que (B) masse Masse = 0,511 MeV Q = -1 spin =

    Exprience faire au microcosme du CERN!

  • Energie Lnergie (E) est conserve. Elle peut avoir diffrentes formes et elle peut

    se transformer dune forme lautre.

    E mcanique : Ecin=que = mv2 Epoten=elle= mgd E thermique. Premier Principe de la Thermodynamique:

    Lnergie ne peut tre ni cre ni dtruite, mais transfre seulement dun systme un autre et transforme dune forme une autre. La temprature est propor=onnelle lnergie cin=que des molcules.

    E lectromagn=que E nuclaire E = mc2 (c vitesse de la lumire) Unit dnergie : eV = 1,6 10-19 J nergie acquise par un lectron dans une diffrence de poten2el de 1V MeV = 106 eV GeV = 109 eV Unit de masse eV/c2 ou eV (si lon pose c=1) =1,78 10-36 Kg Unit dimpulsion p eV/c ou eV (si lon pose c=1)

  • Latome (lectriquement neutre) est compos ! Dcouverte de llectron (Thompson 1897) Exprience de Rutherford (1911):$les charges posi2ves sont dans un noyau pe2t

    Le proton (dcouvert en 1919) masse = 938 MeV (= 1,67 10-27 Kg) Q = 1 (=1,6 10-19 Coulomb) spin =

    Le neutron (dcouvert en 1932) masse = 940 MeV Q = 0 spin =

    Dans un noyau : Z protons (numro atomique) N neutrons

    A = Z + N (nombre de masse)

  • Physique Nuclaire

    Radioac2vit , , : = 4He = 2p 2n - = e- + = e+

    onde e.m.

    La masse dun noyau est plus pe2te que la somme de la masse des ses cons2tuants ,p et n. Le dfaut de masse correspond lnergie de liaison du noyau El . Lnergie de liaison par nuclon El /A reprsente la stabilit du noyau.

  • An2-par2cule Un tat quan2que (une par2cule, ex: e- ) est caractris par

    sa masse, son spin et des nombres quan2que intrinsques : charge lectrique Q, charge baryonique, etc. Son volu2on dans lespace et le temps est dcrit par une qua2on : qua2on de Schrdinger pour des bosons (spin en2er) qua2on de Dirac pour des fermions (spin )

    1925 Dirac cherche une qua2on rela2viste pour un tat quan2que: $

    On ob2ent des tats dnergie nga2ve !!! ??? 1932 Carl David Anderson trouve le+ dans les

    Rayons Cosmiques avec une chambre brouillard

  • Chambres brouillard 1935 Anderson dans des Rayons Cosmiques

    trouve une par2cule avec la mme masse de llectron, mais charge oppose : e+

    Avec un acclrateur on peut observer des gammas de grande nergie ( E >2 me c2)

    qui se transforment en une pair : e+e-

    Le trait sombre au centre est limage de la plaque de plomb. La trajectoire du positron est incurve sous lac2on dun champs magn2que. La courbure nous donne la vitesse de la par2cule.

  • Par2cule et an2par2cule Chaque par2cule a son an2-par2cule avec la mme masse, mais charges opposes Lorsque la ma2re rencontre lan2ma2re les deux sannihilent

    il reste lnergie du systme, qui peut former dautres par2cules.

    1955 dcouverte de lan2proton par Segr et Chamberlain au Bevatron de Lawrence Lab. de 6 GeV

    Produc2on de an2-par2cules : e+e- pour une nergie du gamma E>2me c2 = 2x0,511 MeV = 1,022 MeV p+A p p p A

    1995 an2-hydrogne au CERN Est-ce que l an2-hydrogne se comporte comme lhydrogne ?

    ? Pourquoi il ny a plus dan2-ma2re dans lUnivers?

  • Le neutrino Dsintgra2on : A A + e ???? 83Bi 84Po + e- Bohr (1930): lnergie nest pas conserve Pauli: il y a une autre par2cule Fermi(1933) : neutrino ( ) Thorie

    Dsintgra2on de base: n p e-

    1956 e Reines et Cowan prs dun racteur nuclaire 1962 2000

    Tous avec leur an2-neutrino Masse 0 , spin , Q =0

    Enrico Fermi (1901-1954)

  • Les rayons cosmiques (1912)

    Victor Franz Hess (1883-1964) A terre nous avons des charges lectriques cause de la radioac2vit, mais en hauteur ? Les charges lectriques augmentent !!! Rayons Cosmiques

    Aurore borale

  • Gerbes hadroniques et lectromagn2ques

    Hadrons (forts !) p, n, , k, p N +-0 p N*

    (N = nuclon) 0 ++

    e.m.: e+, e+, , +, - . e+ e- e e

    neutrinos (faible) e , ,

    Les par2cules ne sont pas stables, elles se dsintgrent ! temps de vie

  • Le spin Rota2ons moment cin2que L

    Spin moment cin2que intrinsque Fermions (e- , p, n, quark,) spin

    Boson spin en2er: Higgs (spin 0), photon (spin 1), W, Z (spin 1)

    L conserv !

  • Les deux classes de par2cules dans la Nature

    Les fermions, par2cules au comportement individualiste: jamais 2 par2cules dans le mme tat.

    (e- , p, n, quark,) Sta2s2que Fermi-Dirac.

    Les bosons, par2cules au comportement grgaire, qui peuvent saccumuler en nombre arbitrairement grand dans le mme tat (photon, atomes dhydrogne,)

    Sta2s2que Bose-Einstein.

    Enrico Fermi (1901-1954)

    Paul Dirac (1902-1984)

    Satyendranath Bose Albert Einstein (1894-1974) (1879-1955)

  • Les acclrateurs

    Ernest O. Lawrence (1901-1958)tenant le premier cyclotron, vers 1930

    Infla2on de par2cules !!! Toutes lmentaires ????

  • Un zoo de par2cules

    Leptons : e, , , e,, (interac2ons e.m. ou faibles) Hadrons : mesons (,K,,..) baryons (p,n, ,,.) (interac2ons fortes, e.m., faibles) Young man, if I could remember the names of these par=cles, I would have been a botanist!

    Enrico Fermi son tudiant (et futur Prix Nobel) Leon Lederman

    1964 Gell-Mann mets de lordre dans les hadrons avec un principe de symtrie Avec 3 quarks (Le terme "quark" provient d'une phrase du roman Finnegans Wake

    de James Joyce : Three Quarks for Muster Mark ! ) il classifie toutes les par2cules

    Nom Charge Q spin Etranget S

    u (up) 0

    d (down) 0

    s (strange) -1 Murray Gell-Mann (1929- )

  • Baryons : qqq

    Mesons : q q

  • Symtries

    Symtries discrtes

    Symtries con2nues

    Rota2on de 60o

    Symtries gomtriques de lespace

    Miroir

    Transla2on

  • Symtries et lois de conserva2on Thorme de Noether : lorsquun systme physique est invariant vis--vis dune transforma2on con2nue, il lui correspond une grandeur physique conserve.

    A chaque symtrie con2nue, correspond une loi de conserva2on et vice versa

    Symtrie ConservaGon Transla2on dans lespace Quan2t de mouvement p

    Rota2on dans lespace Moment cin2que L

    Transla2on dans le temps Energie

    Symtrie de jauge Charge lectrique Q

    Emmy Noether (1882-1935)

  • Les quarks existent-ils??? Preuve par lexprience e- p e- X (X = hadrons produits) Les protons ont un diamtre denviron de 10-15 m. Pour rsoudre la structure

    interne du proton, il faut alors une sonde de longueur donde infrieure cee dimension. La rela2on de De Broglie = h/ p permet de calculer limpulsion minimale que cee sonde devrait avoir : avec = 10-15 m, llectron e- doit avoir une impulsion (ou quan2t de mouvement) p dau moins 10 MeV.

    Toutefois