Archives mensuelles : septembre 2008

Vous avez dit Force ?

Je viens d’acquérir un dictionnaire que je vous conseille vivement : le dictionnaire de physique de Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre édité chez De Boeck, il vient juste de paraître. Il y a plus de 5300 définitions de physique succinctes mais suffisantes dans tous les domaines : mécanique solide et fluide, thermodynamique, acoustique, électromagnétisme, optique, physique des particules, physique quantique, astrophysique, etc. On y trouve également les grands personnages ayant marqué la Science. En plus, à la fin figure un
index anglais-français (fort utile pour écrire une thèse) et quelques rappels de mathématique ainsi que la liste des constantes et unités utilisées en physique. Le tout pour la somme modique de 35€ !

Le mouvement

Quel rapport avec le titre ? Eh bien les pages 209, 210, 211 et 212 de ce
dictionnaire sont pleines de forces : 23 entrées commençant par le mot « force » ! Qu’est-ce qu’une force en physique ? En mécanique, une force permet le mouvement d’un objet. Une force est un vecteur, cela signifie qu’elle possède une intensité qui se mesure en Newton mais également une direction et un sens qui correspondent à la direction et au sens du mouvement engendré.

Histoire de Twingo

Par définition, une force de 1 Newton permet d’accélérer un objet de 1 kilogramme de 1 mètre par seconde à chaque seconde. Avec ma Twingo de 850 kilogrammes, je fais 0-100km/h en 20 secondes sur du plat, le moteur a donc fourni en moyenne une force de 850*(100/3.6)/20 = 1200 Newton pendant 20 secondes! En fait, c’est faux, la Twingo a dû fournir beaucoup plus ! Ce calcul est valable uniquement dans l’espace (dans le vide) et ma Twingo n’est pas équipée pour. Sur Terre, il faut rajouter la force de gravité de la Terre, les frottements de l’air qui génèrent une force inverse au déplacement de la Twingo (donc qui freine), dite force de frottement ou de friction (tiens, encore 7 entrées commençant par le mot « frottement » dans le fameux dictionnaire). Il y a également les frottements des roues sur le sol qui freinent la voiture. Le calcul complet avec les frottements est tout de même assez simple et se fait en classe de terminale il me semble…


La Terre génère des forces

Voici la raison des 4 pages de forces dans le dictionnaire ! Il existe une multitude forces, de diverses origines. La plus connue, c’est le poids, également appelée force gravitationnelle, à ne pas confondre avec la masse !!! Le poids correspond à la force que la Terre exerce sur les objets possédants une masse, il est égal à notre masse multipliée par l’accélération gravitationnelle de la Terre (le fameux « g » égale en moyenne à 9,81 m/s²). Une personne
ayant une masse de 80 kg pèse 785 Newton sur Terre en moyenne. Je dis « en moyenne » car le poids varie selon l’emplacement sur Terre. J’ai d’ailleurs fait un billet spécial à ce  sujet : Le poids sur Terre.

Outre la force gravitationnelle que l’on ressent constamment, la Terre exerce 2 autres forces plus subtiles, la force centrifuge due à la rotation de la Terre sur elle-même qui tend à nous expulser vers le ciel et la force de Coriolis qui agit sur les objets en mouvement sur la Terre qui est en rotation. On la ressent également quand on se déplace sur un manège qui tourne, c’est elle qui nous fait « dévier » par rapport au référentiel du manège. La force de Coriolis est en
fait une force fictive car elle résulte de l’accélération d’un référentiel en rotation par rapport à un autre. La force de Coriolis créée par la Terre se ressent sur les objets de grandes tailles en mouvement comme les cyclones qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère nord et dans le sens inverse dans l’hémisphère sud.


Le cyclone Katrina tourne dans le sens des aiguilles d’une montre à cause de la Force de Coriolis

Attention : le sens de rotation de l’eau dans les éviers n’a rien à voir avec la force de Coriolis comme on peut l’entendre dans des conversations de comptoir, c’est une idée reçue !



Les Souris tournent dans l’évier dans un sens aléatoire (qui dépend de la forme du récipient, de la position du robinet, de l’agitation des souris, etc.)

Les forces en physique des particules

En physique des particules, on ne parle que de 4 forces fondamentales, ou plutôt de 4 interactions fondamentales qui expliquent toutes les interactions de la matière !

1 – Force de gravité

La première est la force de gravitation que nous avons déjà abordée avant. Elle est véhiculée par des particules appelées gravitons mais elles sont encore mal connues car difficiles à détecter, je ne rentre pas dans les détails…

2 – Force électromagnétique

Il y a les forces d’origine électrique issues des interactions entre les charges électriques, c’est la force de Coulomb qui fait de l’électricité statique sur votre pull-over. On observe également des forces magnétiques comme dans les aimants que l’on colle sur nos réfrigérateurs. En combinant ces 2 forces (électrique + magnétique) on obtient la force électromagnétique, dite de Lorentz . Elle est véhiculée par les photons (oui, ce sont ces petits
grains de lumière).

Détails dans des précédents billets : Le magnétisme et la nature de la lumière ou
l’électromagnétisme

3 – Force Faible

Souvent appelée interaction nucléaire faible, elle est relativement complexe à comprendre. C’est elle qui permet la désintégration (bêta) de certaines particules en d’autres, entraînant un phénomène découvert par Becquerel et Marie Curie : la radioactivité. On la surnomme « faible »
car son intensité est très faible comparée aux autres forces et elle n’est observable que sur de très courtes distances, de l’ordre du milliardième de milliardième de mètre. Seuls les quarks et les leptons y sont sensibles (comme l’électron par exemple). Elle est véhiculée par les bosons W et Z, découverts au CERN dans les années 80.



Collisions entre protons et anti-protons au CERN à Genève dans le SPS ayant permis la découverte des bosons W et Z en 1982.

A haute énergie, la force faible peut être couplée avec l’interaction électromagnétique, ces 2 interactions unifiées forment alors l’interaction électrofaible, encore plus fondamentale donc :  2 en 1 !

4 – Force Forte

C’est elle qui nous tient « collé » en un seul morceau. En effet, cette force permet la cohésion entre les particules qui constituent les noyaux des atomes, c’est-à-dire les quarks. Je rappelle que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de ces fameux quarks.

J’aime utiliser la métaphore de l’élastique pour expliquer cette force : vous tendez un gros élastique à peine tendu entre vos 2 mains, la force exercée sur chaque main est relativement faible. Maintenant vous écartez les mains, l’élastique se tend et la force qui tend à rapprocher vos main
augmente, vous avez de plus en plus de mal à écarter les mains ! La force forte, c’est comme un élastique qui tient les quarks : plus ils s’éloignent les uns des autres, plus la force augmente et ils restent donc bien groupés. Pour les séparer, ils faut apporter une énergie colossale, c’est ce que les accélérateurs de particules font… Evidemment il n’y a pas d’élastique dans l’histoire mais des gluons, ce sont eux qui sont porteurs de cette force, jouant le rôle de « glu ».



Plasma de quarks et de gluons issu de la collisions d’ions d’or dans l’accélérateur RHIC au Brookhaven National Laboratory près de New York

On appelle désormais l’interaction forte l’interaction de couleur, mais pourquoi ? Un physicien des particules vous répondra : « facile, c’est parce que les quarks possèdent une couleur !» . Je vous sens septique ? vous avez raison, rien à voir avec une vraie « couleur » au sens propre, c’est juste un délire des physiciens qui ont attribué aux quarks les couleurs verte, bleue et rouge pour illustrer leurs propriétés physiques au même titre qu’une charge électrique dans l’interaction électromagnétique. Il y a aussi du jaune, du cyan et du magenta pour les anti-quark (les anti particules des quarks) et nos chers gluons sont
bicolores, il y en a donc 9 mais en fait il ne sont que 8 pour des histoires symétriques bien compliquées… Oui, la physique des particules est étrange… Pour votre gouverne, cette histoire de couleur, c’est la théorie de la chromodynamique quantique, essayez donc de placer ce mot dans une conversation mondaine, vous ferez sensation.

Premier faisceau dans le LHC

C’est un succès pour l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) à Genève. Aujourd’hui, 10 Septembre 2008 à 10h28, le premier faisceau de protons vient de faire un tour complet dans le plus puissant accélérateur de particules du monde : le  LHC (Large Hadron Collider). Voir le billet précédent intitulé Le LHC au CERN pour plus d’informations sur cette machine de 27 km de circonférence enfouie à 100 mètres sous la frontière franco-suisse.


Le  premier proton ayant fait un tour complet du LHC

 La mise en service

Les premiers essais d’injections de particules dans le LHC ont été réalisés le 8 aout dans le sens horaire et le 22 aout dans le sens anti-horaire avec succès (voir résumé).


Image du premier paquet de protons ayant circulé dans une portion du LHC le 8 août 2008 au point 3 lors du test d’injection du faisceau en sens horaire

Quand on regarde la complexité de la machine, le temps de construction (plus de 10 ans) et le nombre de personnes impliquées dans ce projet (environ 8000 personnes), la mise en service a été relativement rapide et a rencontré peu de problèmes grâce aux excellents outils de contrôle et de diagnostique mis en place au CERN dans la nouvelle salle de contrôle (CCC : CERN Control Center) qui centralise tout le contrôle des différents accélérateurs. Ce matin Lyn Evans, le chef du projet LHC disait « je ne sais pas combien de temps cela va prendre de faire un tour complet de la machine, pour le LEP (l’ancien accélérateur du CERN), cela a pris 12h. » Finalement, cela aura pris 50 minutes ce matin pour faire un tour complet, mais cela fait plus d’un mois que tout le monde s’entraine et que les premiers tests ont été réalisés.

Le CERN Control Center situé sur le site de Prevessin ce matin en effervescence

 Le premier faisceau

Aujourd’hui, le premier faisceau de particules vient de faire un tour complet de l’accélérateur à une énergie réduite de 0,45 TeV (soit 6.4% de l’énergie nominale du LHC qui est de 7 TeV). Voir plus d’informations sur la page web LHC first beam. Le CERN espère faire fonctionner la machine à 70% de sa puissance avant la fin de l’année, soit une énergie de 5 TeV et à pleine puissance dans les 2 prochaines années.

Le  premier faisceau traversant le détecteur ATLAS

 Cet événement historique est un succès pour le CERN et les 8000 techniciens, ingénieurs et physiciens de 80 pays différents qui ont contribué à ce projet titanesque qui marquera l’année 2008. Ce premier faisceau symbolise une « réussite technologique », reste maintenant la « réussite physique » à
accomplir. En effet, la prochaine étape est le bon déroulement des collisions de particules au centre des gigantesques détecteurs ainsi que l’archivage et l’analyse des millions de données produites par ces collisions.

  Le LHC ne présente aucun risque

Pris dans son ensemble, l’univers est le théâtre de plus de dix mille milliards de collisions du type LHC à chaque seconde. La possibilité que ces collisions aient de dangereuses conséquences est incompatible avec les observations des astronomes : les étoiles et les galaxies sont toujours là.

 Certaines personnes essayent de faire croire que « les collisions de particules [dans le LHC] pourraient favoriser l’apparition de micro-trous noirs. Ces derniers pourraient aspirer le monde et le faire disparaître. Le risque est suffisamment élevé pour que le projet soit stoppé ».

 Une plainte a été déposée au tribunal de Hawaï au mois de mars par Walter L. Wagner, titulaire d’un doctorat en droit et qui a étudié la physique à l’université de Californie, et Luis Sancho, écrivain et chercheur en Espagne. Ils avaient déposé la même plainte en 1999 pour l’accélérateur de particules américain du
Brookhaven National Laboratory (BNL) près de NewYork mais la plainte était restée sans suite, les autorités se déclarant incompétentes. Évidemment, il n’y a eu aucun incident près de New-York, pas plus qu’il n’y en aura à Genève.

Une autre plainte a également été déposée à la Cour Européenne des Droits de l’Homme à Strasbourg par un biochimiste et un théoricien du chaos (qui n’ont aucune compétence pour juger sérieusement des risques du LHC). La plainte a été rejetée sans surprise par la cour la semaine dernière.

 Ces plaintes n’ont aucun fondement physique et ont toutes été rejetées. Le LHC Safety Assessment Group (le Groupe d’évaluation de la sécurité des collisions du LHC ou LSAG) a réactualisé l’analyse menée en 2003 par le LHC Safety Study Group (Groupe d’étude sur la sécurité du LHC), un groupe de scientifiques indépendants et a démontré qu’il n’y avait aucun risque quant à la mise en service du LHC. On peut également consulter dans le dernier numéro du Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics l’article intitulé « Review of the Safety of LHC Collision ».

 Les médias et le CERN

Dans ces histoires, j’ai l’impression que des gens profitent du démarrage du LHC et de la puissance des médias auprès du public pour se mettre sous les projecteurs. Quoi de plus vendeur pour les journaux que les titres du style « La menace fantôme du trou noir » dans le numéro de Libération du 5 Septembre 2008 ou encore « La Terre aspirée par un trou noir » dans L’Express du 4 Avril 2008. On va jusqu’à pronostiquer l’Apocalypse dans le Nouvel Observateur du 8 Août 2008 qui titre « La fin du monde commencera t-elle en Suisse ? » ou encore «La fin du monde pour le 10 Septembre », dans le 7 sur 7 du 1er Septembre 2008. Le seul quotidien qui ne fait pas une tournure alarmante est Le Monde du 26 Juin 2008 : « Aucun trou noir n’engloutira la Terre à la frontière franco-suisse ». Je tiens également à signaler l’excellente émission du « Téléphone Sonne » animée par Alain Bédouet sur France-Inter hier soir au sujet du démarrage du LHC (Podcastable ici).

 Google nous fait également l’honneur aujourd’hui de mettre son logo à l’image du LHC :

A l’étranger aussi le débat fait rage. On pouvait voir dans le Sun magazine en Angleterre le titre accrocheur « End of the world due in nine days » le 1er septembre ou encore « Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More » dans le New York Times du 29 Mars 2008. La
Tribune de Genève titrait le 6 Septembre « La nouvelle installation du CERN éveille les craintes les plus farfelues » en énumérant toutes les théories loufoques avec extraterrestres, mondes parallèles et théorie du complot à la clef (voir ici l’article), on nage en plein délire….

 Pour plus d’informations :

Le LHC au CERN

Le CERN, l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, a terminé cette année la construction du plus puissant accélérateur de particules du monde : le LHC (Large Hadron Collider). Cette machine est qualifiée comme étant la machine la plus complexe jamais construite par l’homme. Le projet LHC a été pensé dans les années 80 et approuvé officiellement en 1994. Le premier coup de pelle a été donné en 1998 et sa construction avec les détecteurs, estimée à 6 milliards de francs suisses (3,75 milliards d’euros), s’est achevée en 2008. Le premier faisceau de particules fera son premier tour dans 4 jours, le 10 Septembre, et les premières collisions sont prévues pour la fin de l’année.


Le LHC dans son tunnel à 100m sous terre

Nom de code: L.H.C

Le LHC est une machine qui permet l’accélération de paquets de particules chargées en sens opposés dans un anneau de 27 km enfoui à 100 m sous terre sous la frontière franco-suisse près de Genève. L’objectif est de réaliser des collisions frontales entre ces particules à des fins purement physique pour faire avancer la Science.

  • L’ comme ‘Large’ car le LHC est un anneau de 27 km de circonférence.
  • H’ comme ‘Hadron’ car le LHC accélère des protons qui sont composés de particules appelées ‘quark’ qui appartiennent à la classe des hadrons.
  • C’ comme ‘Collider’ car le LHC est un collisionneur : il fait collisioner des protons entre eux. Voir un billet précédent intitulé comment accélérer des particules ?

Le LHC est froid

Le LHC est constitué d’aimants supraconducteurs refroidis à 1,9K (-271°C) permettant de courber et de focaliser les faisceaux de particules à l’aide de puissants champs magnétiques (voir un article précédent, les super états). Ainsi le LHC est la plus grande installation supraconductrice du monde et a nécessité la construction de gigantesques installations cryogéniques (de gros réfrigérateurs). Pour les connaisseurs, il y a une puissance de réfrigération totale de 150kW à 4,5K et de 20kW à 1,9K disponible. Le refroidissement des 27 km d’aimants nécessite 10 000 tonnes d’azote liquide et 120 tonnes d’hélium liquide dont environ 90 tonnes d’hélium superfluide. Depuis le mois de Juillet, le LHC est entièrement « froid » (-271°C).


Vue d’ensemble du LHC

 

Pourquoi le LHC ?

Chaque faisceau de particules contient près de 3000 paquets qui contiennent chacun environ 100 milliards de particules. Quand les 2 faisceaux se croisent, 1 particule sur 10 milliards a une chance d’en entrechoquer une autre. Eh oui, les particules sont très petites et elles ont peu de chance statistiquement de se rencontrer (un faisceau est en fait principalement constitué de vide). Les faisceaux tournent à environ 99,9999991% de la vitesse de la lumière et le LHC ne va donc produire « que » 600 millions de collisions par seconde. Les collisions sont réalisées en continu pendant une dizaine d’heures, les particules n’ayant pas subi de collisions pendant ces 10 heures parcourent donc au total 10 milliards de kilomètres dans le LHC (de quoi aller sur Neptune et revenir).

L’analyse des collisions permet de confirmer ou d’infirmer les théories élaborées par les physiciens sur la constitution de la matière qui nous entoure, sur le Big-Bang et les différents phénomènes observables dans l’univers.  Le LHC devrait répondre dans les prochaines années aux interrogations suivantes :



– Est-ce que le boson de Higgs existe? Ce fameux boson est une particule élémentaire prédite par la théorie du modèle standard mais jamais observée. Elle
expliquerait l’origine de la masse, pourquoi certaines particules élémentaires ont des masses différentes et pourquoi certaines n’en n’ont pas.

– Nous observons 4% de la matière dans l’univers. Les 96% restant serait constitués de matière noire et d’énergie sombre. Les expériences du LHC
chercheront ce qu’on appelle des particules supersymétriques permettant d’expliquer la matière noire.

– Est-ce que l’antimatière est une réflexion parfaite de la matière? Comment se fait-il que toute l’antimatière a disparu pour laisser la place à la matière ?

– A quoi ressemblait la matière juste après le Big-Bang ? Étude des plasmas de quarks et de gluons.

– Existe-t-il d’autres dimensions, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes et si oui, peut-on les « voir »?

Le LHC ne fait jamais que reproduire des collisions qui se produisent tous les jours dans notre univers. Seulement ici ces collisions sont créées artificiellement pour permettre à l’homme de les analyser dans des détecteurs gigantesques. Cependant les énergies mises en jeu dans le LHC restent inférieures aux énergies que l’on rencontre lors de certaines collisions cosmiques.

 Les expériences du LHC

Le LHC va provoquer des collisions à 4 points distincts de la machine dans lesquels se trouvent de gigantesques expériences (ATLAS, CMS, ALICE
et LHCb).

ATLAS et CMS tenteront de découvrir le boson de Higgs, d’éventuelles supersymétries et des dimensions cachées de l’Univers. ATLAS est la plus grande (46m de long, 25m de haut et 25m de large) et possède le plus grand
supraconducteur du monde (voir photo). CMS est la plus lourde des expériences avec ses 12 500 tonnes et possède l’aimant supraconducteur le plus puissant du monde (il emmagasine 2,5 GJ). ALICE reconstituera les conditions de l’Univers juste après le BIG-BANG et LHCb étudiera les différences matière-antimatière.



L’expérience ATLAS pendant sa construction avec un homme au centre des 8 bobines supraconductrices toroidales

Ces expériences sont constituées d’un  ensemble de détecteurs permettant la détection de différentes particules. Ce sont de gigantesques oignons organisés en une multitude de couches successives. Une couche va laisser passer certaines particules  et en stopper d’autres en provoquant des désintégrations successives (avalanches). L’analyse des traces laissées sur l’ensemble des couches permet de dire avec précision quelle particule est passée à quel endroit.

L’ensemble des détecteurs produira au total 15 000 000 de Giga Octets de données par an (soit une pile de CD de 20 km de haut).


Illustration du passage de différents types de particules dans les différentes couches des détecteurs