Découvrir la physique des particules au y lycée : les Masterclasses du CERN - Nicolas ARNAUD
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Nicolas ARNAUD
(narnaud@lal.in2p3.fr)
Chercheur CNRS au
Découvrir la physique des particules au
lycée
y : les Masterclasses du CERN
www.in2p3.fr
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
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 Ev 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
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
Les collisions expliquées aux gourmands
Collision de particules accélérées « Grain » d’énergie Nouvelles particules
A élé t
Accélérateur E = mc2 Dét t
Détecteur
5
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
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 7Pourquoi 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 participentUn 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.orgUne session Masterclass typique
France
10Les 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
11Bilan
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 ? 12Participer 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 13Conclusions
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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