Les Particules

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Les Particules élémentaires
(de A comme Atome à Z comme Z0)
1. Qu'est ce que c'est ? 2. Comment les produire
? exemple le collisionneur LHC 3. Comment les
étudier ? exemple l'expérience ATLAS
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1. Au cœur de la matière
Etudions une molécule d'eau
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Les constituants élémentaires de la matière
De quoi la matière est elle constituée ?
Avant
l'atome Démocrite - 440 Avogadro 1776
1856 Mendeleïev 1834 - 1907

• l'electron
• Thomson 1897

le noyau Rutherford 1911

• le proton
• Thomson 1916

le neutron Chadwick 1932
les quarks u et d Gellmann 1961 (Théorie)
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Les particules de matiére
La matière ordinaire est constituée de quarks up
et down, d'électrons et de neutrinos
1956
1897
1956
1956
Ces particules constituent la première famille
Les physiciens des particules ont découvert 2
nouvelles familles
1962
1937
1947
1974
2001
1974
1977
1994
L'anti-matière chaque particule possède une
anti-particule identique en "tout" mais ayant des
charges opposées (découverte de l'anti-électron
par Anderson en 1933)
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Les forces
Qu'est ce qu'une force ? Tout ce qui fait que les
particules interagissent ou tiennent entre elles.
la gravitation Newton 1642-1727
? Einstein 1915
l'électricité Coulomb 1736-1806
? l'électromagnétisme Maxwell 1831-1879
le magnétisme Faraday 1791-1867
? la force nucléaire faible Fermi 1933
la radioactivité Becquerel 1896 P. et M. Curie
1898

• et la force nucléaire forte
• 1967-1970

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Les forces et les particules
A chaque force est associée une ou plusieurs
particule Leur rôle est de transmettre cette
force.
Electro magnétisme
Nucléaire faible
Nucléaire forte
Gravitation
On a alors 13 nouvelles particules
les W W- et le Z0 1983
le photon ? 1905
le graviton G ???
les 8 gluons g 1975
Elles interagissent avec les autres particules
trop faible pour avoir encore été observée
toutes les particules de charge ou -
toutes les particules de matière
tous les quarks
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Les particules en résumé
3 familles de 4 particules constituent la matiére
les fermions
13 particules transmettent les 4 forces les
bosons
?
8 gluons
W W- Z0
Graviton?
Une particule encore jamais observée manque
?
Le boson de Higgs, l'origine de la masse ?
Et après
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2. Comment produit-on des particules ? Les
accélérateurs
Le but des accélérateurs explorer la matière à
des échelles de 10-15m et au delà
Fonctionnement ils accélèrent des particules
(électrons, protons) à l'aide de puissants champs
électrique.
Et pourquoi pas un microscope ?
La longueur d'onde de la lumière visible est de
10-6m (1 micron) ? elle ne peut donc pas être
utilisée pour observer l'infiniment petit. Le
microscope électronique est en fait une sorte de
mini accélérateur
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Exemple d'accélérateurs
Le tunnel du SPS au CERN
Le LEP (accélérateur électron positron de 27 km
de long au CERN 200 GeV) pendant le démontage
pour faire place au nouvel accélérateur encore
plus puissant le LHC
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Le collisionneur de 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
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Les collisions de protons au LHC
Protons de 7 TeV dénergie
Protons de 7 TeV dénergie
E mc2 14 TeV La collision des particules
crée de nouvelles particules que lon peut alors
étudier
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Des énergies encore jamais atteintes
Energies atteintes au LHC 14 TeV 1 TeV1 Tera
électron Volt
7 TeV énergie cinétique  dun 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 !
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3. Etudier les particules
Quelles sont les propriétés des particules que
nous pouvons mesurer avec un détecteur ?

• La masse pour une seule particule elle est
  bien trop petite !
• L'énergie elle est grande puisque nous avons
  accéléré la particule.
• La charge électrique avec un champ magnétique
  puissant on peut courber la trajectoire de la
  particule et en déduire sa charge et son
  impulsion.

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Les détecteurs
Les détecteurs sont constitués de couches
successives comme un oignon
Chaque couche est en fait un sous détecteur ayant
un rôle spécifique enregistrer le passage
d'une particule (détecteur de traces), mesurer
son énergie (calorimètre),
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Les détecteurs de traces
Ils servent à détecter le passage d'une particule
sans la détruire
les chambres à fil
les pixels ou les plaques de silicium
BaBar
CMS
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Les calorimètres
Ils servent à mesurer l'énergie d'une particule,
elle est alors détruite
les calorimètres à cristaux
L3
et à échantillonnage
ALEPH
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Détecter les particules
La disposition en "oignon" des sous détecteurs
est cruciale pour pouvoir identifier les
particules produites
détecteur de traces
calorimètre électromagnétique
calorimètre hadronique
chambres à muons
Détecteurs de traces
Calorimètres -
électromagnétique ( ?,e,e-)
Calorimètres - hadronique (particules
constituées de quarks) Détecteurs de traces -
Chambres à muons
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Voir les particules
Les signaux électriques provenant de tous les
sous détecteurs sont ensuite traités
électroniquement puis informatiquement
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Le détecteur ATLAS au LHC
22 m de haut, 44 m de long, poids de 7000
tonnes Composé de plusieurs sous-détecteurs
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La construction dATLAS et du LHC
Le tunnel du LHC
Le site dATLAS
Le puits dATLAS
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La construction des sous détecteurs dATLAS
Le calorimètre électromagnétique
Le calorimètre hadronique
Fin du montage et début de l'expérience en 2007 !