Les Particules élémentairesLes Particules élémentaires

1. Qu'est ce que c'est ?1. Qu'est ce que c'est ?

2. Comment les produire ?2. Comment les produire ?

exemple : le collisionneur LHCexemple : le collisionneur LHC

3. Comment les étudier 3. Comment les étudier ??

exemple : l'expérience ATLASexemple : l'expérience ATLAS

(de A comme Atome (de A comme Atome à Z comme Zà Z comme Z00))

1. Au cœur de la matière1. Au cœur de la matière

Etudions une Etudions une mmolécule olécule dd''eaueau : :

10-9m 10-10m 10-15m <10-18m

Les constituants Les constituants élémentaires de la matièreélémentaires de la matière

l'atome :l'atome :DémocriteDémocrite - 440- 440

Avogadro Avogadro 1776 – 18561776 – 1856

MendeleïevMendeleïev 1834 - 19071834 - 1907

le proton :le proton :

Thomson Thomson 19161916

le noyau :le noyau :Rutherford Rutherford 19111911

Avant :Avant :

le neutron :le neutron :Chadwick Chadwick 19321932

De quoi la matièDe quoi la matière re est elle est elle constituconstituéée ?e ?

les quarks u et d :les quarks u et d :Gellmann Gellmann 1961 (Thé1961 (Théorie)orie)

l'electron :l'electron :

Thomson Thomson 18971897

Les particules de matiéLes particules de matiérereLa matière ordinaire est constituée de La matière ordinaire est constituée de quarks quarks upup et et downdown, d', d'éélectronslectrons et de et de neutrinos neutrinos ::

19519566

18918977

Les physiciens des particules ont découvert Les physiciens des particules ont découvert 22 nouvelles nouvelles fafamillesmilles ::

Ces particules constituent la Ces particules constituent la première famillepremière famille

19519566

19519566

19619622

19319377

19419477

19719744

20020011

19719744

19719777

19919944

L'anti-matièreL'anti-matière : : chaque particule possède une anti-particule chaque particule possède une anti-particule identique en "tout" mais ayant des charges opposéidentique en "tout" mais ayant des charges opposées es (d(découverte de l'anti-électron par Anderson en écouverte de l'anti-électron par Anderson en 19331933))

Les forcesLes forcesQu'est ce qu'une force ?Qu'est ce qu'une force ?

Tout ce qui fait que les particules Tout ce qui fait que les particules interagissent ou tiennent entre elles.interagissent ou tiennent entre elles.

la gravitation la gravitation :: NewtonNewton 1642-1642-17271727l'électricité :l'électricité :CoulombCoulomb 11736736--18061806le magnétisme :le magnétisme :FaradayFaraday 11791791--18671867

Einstein Einstein 19151915

l'électromagnétismel'électromagnétisme : : Maxwell Maxwell 1831-18791831-1879

la radioactivité :la radioactivité :BecquerelBecquerel 11896896P. et M. CurieP. et M. Curie 11898898

la force nucléaire faiblela force nucléaire faible FerFermi mi 1933 1933

… … etet la force nucléaire forte la force nucléaire forte 1967-1970 1967-1970

Les forces et les particulesLes forces et les particulesA chaque force est associée une ou plusieurs A chaque force est associée une ou plusieurs particuleparticule

Leur rôle est de transmettre cette force.Leur rôle est de transmettre cette force.

GravitationGravitationElectro Electro

magnétismmagnétismee

NuclNucléaireéaire faiblefaible

NuclNucléaireéaire forteforte

le photon le photon 11909055

les les WW++ W W-- et le et le ZZ00

11983983

les 8 gluons les 8 gluons gg

11979755

le graviton le graviton GG

??????

On a alors 13 nouvelles particules :On a alors 13 nouvelles particules :

Elles interagissent avec les autres particules :Elles interagissent avec les autres particules :

toutes les toutes les particules de particules de charge charge + ou -+ ou -

toutes les toutes les particulesparticulesde matièrede matière

tous les tous les quarksquarks

trop faible trop faible pour avoir pour avoir encore été encore été observéeobservée……

Les particules en rLes particules en réésumsuméé

?Une particule encore jamais observUne particule encore jamais observéée e manque :manque :

Et après :Le boson de Le boson de HiggsHiggs, l'origine , l'origine de la masse ?de la masse ?

3 familles de 4 particules constituent la matiére : 3 familles de 4 particules constituent la matiére : les les ferfermmionsions

13 particules transmettent les 4 forces : 13 particules transmettent les 4 forces : les bosonsles bosons

WW++ W W-- Z Z00Graviton?Graviton? 8 8 gluonsgluons

2. Comment produit-on des 2. Comment produit-on des particules ? : Les particules ? : Les

accélérateursaccélérateurs

Le but des accélérateurs :Le but des accélérateurs : explorer la explorer la matière à des échelles dematière à des échelles de 10 10-15-15m et au m et au

delàdelàFonctionnement Fonctionnement : : ils accélèrent des ils accélèrent des

particules particules ((électronsélectrons, , protonsprotons) ) à là l''aide aide de puissants champs électriquede puissants champs électrique..

Et pourquoi pas un microscope Et pourquoi pas un microscope ??

La longueur d'onde de la lumière visible est de 10La longueur d'onde de la lumière visible est de 10-6-6m (1 m (1 micron)micron)

elle ne peut donc pas être utilisée pour observer elle ne peut donc pas être utilisée pour observer l'infiniment petit.l'infiniment petit.

Le microscope électronique est en fait une sorte de mini Le microscope électronique est en fait une sorte de mini accélérateuraccélérateur

Exemple dExemple d''accélérateursaccélérateursLe tunnel du SPSLe tunnel du SPS au CERN au CERN ::

Le LEP (accélérateur Le LEP (accélérateur électron positron de 27 km électron positron de 27 km de long au CERN – 200 GeVde long au CERN – 200 GeV) ) pendant le dpendant le déémontage pour montage pour faire place au nouvel faire place au nouvel accaccélérélérateur encore plus ateur encore plus puissant :puissant : le LHCle LHC

Le collisionneur de Le collisionneur de particules LHC au CERN particules LHC au CERN

Le LHC sera installé dans le tunnel du LEP.

Tunnel de 27 km de long

CERN: Centre Européen pour la Recherche Nucléaire

Les collisions de protons Les collisions de protons au LHCau LHC

Protons de 7 TeV d’énergie Protons de 7 TeV d’énergie

E = mc2 = 14 TeV

La collision des particules crée de nouvelles particules que l’on peut alors étudier

Des énergies encore Des énergies encore jamais atteintesjamais atteintes

7 TeV = énergie cinétique  d’un moustique en vol

concentrée sur 1 proton !

Pour donner à un proton une énergie de 1 TeV,

il faut un champ électrique équivalent à 1012 piles de 1 V

Le LHC accélérera des protons jusqu’ à 7 TeV

soit à une vitesse de 0.999999991 × c !

Energies atteintes au LHC: 14 TeV

1 TeV=1 Tera électron Volt

3. Etudier les particules3. Etudier les particulesQuelles sont les propriétés des Quelles sont les propriétés des

particules que nous pouvons mesurer particules que nous pouvons mesurer avec un détecteur ?avec un détecteur ?

• La masse : pour une seule particule La masse : pour une seule particule elle est bien trop petite !elle est bien trop petite !

• L'énergie : elle est grande puisque L'énergie : elle est grande puisque nous avons accéléré la particulenous avons accéléré la particule..

• La charge électrique : avec un La charge électrique : avec un champ magnétique puissant on peut champ magnétique puissant on peut courber la trajectoire de la particule courber la trajectoire de la particule et en déduire sa charge et son et en déduire sa charge et son impulsion.impulsion.

• ……

Les détecteursLes détecteursLes détecteurs sont constitués de Les détecteurs sont constitués de

couches successives comme un oignoncouches successives comme un oignon

Chaque couche est en fait un sous détecteur Chaque couche est en fait un sous détecteur ayant un rôle spécifique : ayant un rôle spécifique :

enregistrer le passage d'une particule (détecteur enregistrer le passage d'une particule (détecteur de traces), mesurer son énergie de traces), mesurer son énergie ((calorimètrecalorimètre), …), …

Les détecteurs de tracesLes détecteurs de traces

les chambres à les chambres à fil fil

Ils servent à détecter le passage d'une Ils servent à détecter le passage d'une particule sans la détruireparticule sans la détruire

CMCMSS

les pixels ou les plaques de les pixels ou les plaques de silicium silicium

BaBarBaBar

Les calorimètresLes calorimètres

les calorimètres à les calorimètres à cristaux cristaux

Ils servent à mesurer l'énergie d'une Ils servent à mesurer l'énergie d'une particule, elle est alors détruiteparticule, elle est alors détruite

ALEPHALEPH

L3L3

et à échantillonnage et à échantillonnage

Détecter les particulesDétecter les particules

Détecteurs de traces Calorimètres - électromagnétique ( ,e+,e-) Calorimètres - hadronique (particules constituées de quarks) Détecteurs de traces - Chambres à muons

La disposition en "oignon" des sous La disposition en "oignon" des sous détecteurs est cruciale pour pouvoir détecteurs est cruciale pour pouvoir

identifier les particules produitesidentifier les particules produites

détecteur de traces

calorimètre électromagnétique

calorimètre hadronique

chambres à muons

Voir les particulesVoir les particulesLes signaux Les signaux électriques provenant de électriques provenant de tous les sous détecteurs sont ensuite tous les sous détecteurs sont ensuite

traités électroniquement puis traités électroniquement puis informatiquementinformatiquement

Le détecteur ATLAS au Le détecteur ATLAS au LHCLHC

22 m de haut, 44 m de long, poids de 7000 tonnes

Composé de plusieurs sous-détecteurs

La construction d’ATLAS et La construction d’ATLAS et du LHCdu LHC

Le tunnel du LHC

Le site d’ATLAS

Le puits d’ATLAS

La construction des sous La construction des sous détecteurs d’ATLASdétecteurs d’ATLAS

Le calorimètre électromagnétique

Le calorimètre hadronique

Fin du montage et début de l'expérience en 2007 !