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 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 »
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