Découvrir la physique des particules au y lycée : les Masterclasses du CERN - Nicolas ARNAUD

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Découvrir la physique des particules au y lycée : les Masterclasses du CERN - Nicolas ARNAUD
Nicolas ARNAUD
                     (narnaud@lal.in2p3.fr)
                     Chercheur CNRS au

Découvrir la physique des particules au
  lycée
   y    : les Masterclasses du CERN

                              www.in2p3.fr
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La physique des particules
 Etude des constituants ultimes de la matière
   Résolution actuelle ~ 10-18 m
 Problématique ancienne (antiquité)             France
  Science vivante (XXe et XXIe siècle)                                     Genève
   Peu
     P enseignée
             i é au lycée
                     l é
 Théorie : le Modèle Standard                      Suisse
   Mécanique quantique
   + Relativité restreinte
   Extraordinaire réussite
   Forcément incomplète                                      Higgs
                                                              & co.

 12 particules élémentaires                                 LHC
                                                                       Tevatron

   Sans structure interne
   Quarks, leptons, bosons
                                                                         Matière :
 3 familles                                                          une conquête du
                                                                      Modèle Standard

   la 1ère forme la matière
                                                                               2
 3 (+1) interactions fondamentales
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Collisionneurs
 Plus on veut sonder la matière aux petites échelles, plus il faut d’énergie
   Exemple des ondes électromagnétiques : énergie  1 / (longueur d’onde)

                                                         France

                                                             Suisse

 La plupart des particules sont instables  elles n’existent pas dans la Nature
   Il faut les p
                produire artificiellement
   En grande quantité pour obtenir des mesures de qualité
                                                                                   
                                                                            
   Les accélérer pour leur donner l’énergie souhaitée             F  q Ev B
   Les amener/créer au cœur des détecteurs
     construits spécialement pour les étudier                      E   mc 2

 On accélère des particules chargées à l’aide d’un champ électrique
   Sections droites
 On les pilote avec des champs magnétiques                                     3

   Anneau de stockage
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Le Large Hadron Collider
 Au CERN – « Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire »
   Plus grand laboratoire de physique des particules au monde
 Anneau quasi-circulaire de ~27 km de circonférence creusé à ~100 m sous terre
 2 faisceaux de p
                 protons ((ou d’ions Pb selon les ppériodes ) y circulent en sens opposé
                                                                                   pp
 Ils se croisent au centre de 4 détecteurs géants :
  ALICE, ATLAS, CMS, LHCb
 Fonctionnement remarquable depuis 2 ans

                                                                                  4
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Les collisions expliquées aux gourmands
 Collision de particules accélérées  « Grain » d’énergie  Nouvelles particules

           A élé t
           Accélérateur                     E = mc2               Dét t
                                                                  Détecteur

                                                                              5
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Détecteurs
 Des cathédrales de métal et d’électronique !
   Dimensions de plusieurs dizaines de mètres
   Poids de plusieurs milliers de tonnes
    ( Tour Eiffel)                                        France
                                                            Taille des détecteurs ATLAS et CMS
                                                                                      Genève

                                                               Suisse

 Des
  D millions
         illi  de
               d canaux électroniques
                          él       i    recoivent
                                            i
  des informations lors des collisions
   Les particules déposent de l’énergie en traversant les différents détecteurs ;
     ces dépôts sont convertis en signaux électriques puis lus
   Surfaces/volumes actifs, câbles, alimentations, etc.                          6
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Analyse des données
 Volume total de données :
   ~ des Encyclopédia Universialis / seconde
   Impossible de tout conserver
   Tri en temps réel des événements :                    France       Genève
           q et très pperformant
     drastique

 Données stockées et analysées au moyen de milliers dd’ordinateurs
                                                         ordinateurs
  répartis dans des centaines de centres de calcul du monde entier

 Processus complexe, long, minutieux
   Chaque collaboration du LHC compte plusieurs milliers de membres    7
Pourquoi les Masterclasses ?
 But : transformer des lycéens (et leurs professeurs …) en scientifiques d’un jour
   Science du XXIe siècle
 Des exposés magistraux mais pas seulement
   La science est vivante, on la comprend mieux quand on a pu la « toucher »
     Expériences,
       E éi          visites,
                      i it etc.
                              t + TP sur ordinateur
                                            di t
   Élèves et professeurs sur un pied d’égalité pour quelques heures
 Réalisation dd’une
                 une « vraie » mesure scientifique par les élèves
   Apprentissage et utilisation d’un logiciel de visualisation, ludique et simplifié
   Depuis cette année, utilisation de vraies données du LHC
 Découverte de la réalité de la recherche
   « L’inconnu » commence juste au-delà des règles
   Analyse des données ? Evaluation des résultats ? Incertitudes ? Validation ? …
   Vidéoconférence internationale en anglais pour clore la journée
 Renouveler l’intérêt pour les filières scientifiques / les disciplines « dures »
   Vocations !
                                                                                     8
 Respiration (récréation !?) pour les personnels qui y participent
Un projet global
 Démarrage en 2005
  Croissance régulière et rapide depuis lors
   Devrait se poursuivre en 2012
                                                   France   Genève
 Données 2011
   24 pays
   99 laboratoires, universités, instituts
   116 sessions sur 3 semaines
   8000 élèves (+ programme USA)
 Gestion centrale à l’université de Dresde

                                (en France)

                           +
                                                             9
 Site web : http://www.physicsmasterclasses.org
Une session Masterclass typique

                      France

                                  10
Les nouveaux exercices « LHC »
 Trois exercices distincts, chacun associé à une expérience du LHC
   Un seul est étudié lors d’une session – choix du laboratoire hôte
 Offerts aux participants (DVD) ; intégralement disponibles sur le web
   Documentation, logiciels, données LHC, feuilles de résultat
   Disponibles
    Di     ibl ddans dde nombreuses
                             b       llangues, dont
                                               d t le       i 
                                                    l français
                                                      f
   On peut faire ces exercices chez soi !
 ALICE : http://aliceinfo.cern.ch/static/Pictures/pictures_High_Resolution/MasterClassWebpage.html
          http://aliceinfo cern ch/static/Pictures/pictures High Resolution/MasterClassWebpage html
 ATLAS : http://kjende.web.cern.ch/kjende/fr/index.htm
 CMS : http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/CMS/cmsfr.html

                                                                                               11
Bilan
 4ème édition française en 2012, avec tous les labos IN2P3 impliqués dans le LHC
 Edition 2011 en France : 17 sessions
                              sessions, 22 classes,
                                           classes près de 700 élèves
 Enseignants et élèves (motivés) enthousiastes
   Les pprofesseurs veulent tous revenir l’année suivante avec leur nouvelle classe
 Sentiment partagé du côté des organisateurs
   Compense le temps « hors recherche » passé à préparer les sessions
 Retours dans les médias (presse, radio, etc.)
 Soutien très apprécié
                pp      de l’IN2P3 pour
                                   p    couvrir une partie
                                                    p      des frais ((déjeuner,
                                                                         j       etc.))
 Reflexions internes pour améliorer/alléger l’emploi du temps type d’une session
   Conférence pre-Masterclass dans le lycée pour introduire la discipline
   Sessions
     S i      Masterclass
              M       l pour les
                               l professeurs
                                      f         en partenariat
                                                           i avec les
                                                                  l rectorats
 Principale difficulté : initiative limitée à quelques sessions (classes) par labo et par an
   Comment renouveler son public sans frustrer les professeurs qui nous
     accompagnent depuis le début de l’aventure ?                                   12
Participer aux Masterclasses
 Site global : http://www.physicsmasterclasses.org
   Énormément d’informations mais un peu fouillis …
 Laboratoires de l’IN2P3 participants :
  http://www.physicsmasterclasses.org/index.php?cat=country&page=fr
   Grenoble,
     G     bl Lyon,
               L      M
                      Marseille,
                           ill Nantes,
                                 N t Orsay,
                                         O    P l i
                                              Palaiseau, P i Strasbourg
                                                         Paris, St b
   + Annecy et Clermont-Ferrand en 2012 : 10/10 !!!
   Couverture non uniforme du territoire
 Coordinateur français : mézigue (narnaud@lal.in2p3.fr)
 Liste de diffusion p
                     pour toucher tous les labos participants
                                                  p     p      : masterclass-l@in2p3.fr
                                                                              @ p
   Plutôt à usage interne – à n’utiliser que si le contact direct ne fonctionne pas
 Dates globales 2012 déjà définies : du 27 février au 24 mars
   Interférences
    I     fé      partielles
                      i ll avec les
                                 l vacances scolaires
                                                   l i d’hiver
                                                         d’hi  de
                                                               d certaines
                                                                      i    zones
 Organisations en cours localement au niveau des laboratoires participants
 Emploi du temps global défini en décembre-janvier
   Plusieurs itérations pour satisfaire au mieux les demandes des labos         13
Conclusions
 Les Masterclasses sont un remarquable projet de communication international

 Succès dans tous les pays – dont la France !
 Investissement important au niveau local ; soutien financier de ll’IN2P3
                                                                     IN2P3
 Retour 100% positif des participants – et des organisateurs
 On
  O approche
          h dde lla fin
                    fi de
                        d la
                          l période
                             é i d de
                                    d croissance
                                         i
   Impossible d’augmenter le nombre de sessions françaises chaque année !
 Défis pour les prochaines années
   Stabiliser notre participation sans tomber dans la routine                 14
   Toucher de nouveaux publics sans frustrer nos participants « habituels »
15
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