Cette activité est conçue pour présenter aux étudiants quelques concepts fondamentaux de la physique des particules qui sont les règles du jeu joué par la nature. En complétant cet exercice de puzzle de la feuille d'activité, les étudiants apprendront qu'une partie de la théorie et de la pratique de la physique des particules n'est que du comptage, et qu'un "événement" en physique des particules est comparable à une réaction en chimie, en ce sens qu'un ensemble de particules est formé à partir d'un autre ensemble. De plus, ils apprendront que c'est ainsi que les physiciens découvrent les lois : ils cherchent à expliquer les données, sans a priori. Pour illustrer cela reportez vous aux lois des interactions que les étudiants ont étudiée dans l'Activité deux,
Vous pouvez introduire cette activité en demandant aux étudiants de prétendre qu'ils sont des scientifiques, qui trouvent des lois pour expliquer les phénomènes observés et qui, ensuite, utilisent ces lois pour interpréter de nouvelles observations. Demandez aux étudiants de travailler en groupe pour trouver des exemples de "lois de la nature" qui expliquent les listes de processus observés et non observés.
Distribuez cette feuille d'activité et expliquez que la table des particules peut être utilisée pour identifier les différents types de particules et de charges de chaque événement.
Lorsque les étudiant ont compris comment lire les tableaux des particules, faites leur commencer le travail en petits groupes, comme le font les physiciens des particules.
Vous pouvez expliquer que deux types d'événements observés sont représentés sur la liste. Les événements 1, 5 et 6 sont des désintégrations de particules : une particule, comme le neutron se désintègre spontanément pour former deux ou plusieurs autres particules. Les événements "observés" (2,3,4,7,8,9 et 10) sont des collisions : les deux particules à gauche de la flèche se rapprochent suffisamment pour interagir et les particules initiales se transforment en deux ou plusieurs particules finales.
Les conseils suivants peuvent également être donné pour simplifier cette activité. Vous pouvez les donner immédiatement ou au fur et à mesure des besoins, ou bien choisir de laisser les étudiants travailler sans conseil du tout.
Conseils :
1/ Les quantités conservées ne sont pas des combinaisons compliquées de choses.
2/ Les étudiants peuvent vérifier si une quantité est conservée dans un événement en comparant la somme de cette quantité à gauche de la flèche à la somme de la même quantité à droite de la flèche.
3/ En comptant les types de particules, additionnez le nombre de particules et soustrayez le nombre d'antiparticules.
4/ En plus de la charge électrique, il y a seulement deux autres quantités conservées sur ces exemples.
5/ Si, pour une certaine quantité, les comptes s'égalisent à gauche et à droite des flèches dans tous les événements "observés" et pour aucun des événements non observés, on dit que cette quantité est conservée.
6/ Les étudiants devront essayer de compter le nombre de particules d'une classe donnée (baryons, leptons, mésons) avant et après l'interaction pour un événement donné. Il peut être utile aux étudiants d'écrire une table pour conserver une trace du comptage de chaque quantité sur les côtés gauche et droit de chacun des 20 processus.
Réponses
1/ Lorsque la quantité est conservée, sa valeur est la même avant et après l'interaction.
2/ Les quantités suivantes sont conservées dans les processus : (a) charge électrique; (b) nombre de baryons moins nombre d'antibaryons, appelé "nombre baryonique", (c) nombre de leptons moins nombre d'antileptons, appelé "nombre leptonique".
3/ Un "événement" est l'observation de base en physique des particules. Il correspond à une collision unique entre deux particules (produisant une transformation en 2 ou plusieurs particules résultantes), ou à la désintégration d'une particule unique en deux ou plusieurs particules. Un événement est similaire à une réaction chimique, en ce sens qu'un ensemble de particules est formé à partir d'un autre.
4/ Les événement 1, 5 et 6 sont des désintégrations.
5/ Evénements :
11 charge électrique
12 nombre baryonique
13 nombre baryonique et charge électrique
14-18 nombre baryonique
19-20 nombre leptonique.
Activités de suivi
1/ Après que les étudiants aient complété leur feuille d'activité, demandez leur ce que l'expérience leur a appris sur la physique des particules et comment les scientifiques conduisent leurs expériences. Les étudiants doivent être à même de reconnaître qu'une partie de la théorie et de l'expérimentation en physique de particules n'est qu'un simple comptage, et que les physiciens déduisent les lois de conservation à partir des données pour expliquer ce qui devrait ou ne devrait pas être observé.
2/ Demandez aux étudiants de donner d'autres exemples de lois de conservation dans la nature. Discutez combien "la conservation de la masse" enseignée en chimie est un résultat approximatif, et n'est en fait qu'une conséquence de la conservation du nombre baryonique (la masse n'est qu'approximativement conservée dans les réactions chimiques, puisque les énergies de liaison diffèrent avant et après la réaction).
3/ Parlez de la différence entre le terme "conservation" utilisé dans "loi de conservation" et l'usage populaire de ce terme dans "conservation des ressources". Puisque la conservation de l'énergie est une loi de la physique, pourquoi devons nous nous préoccuper de conserver l'énergie dans nos vies quotidiennes? Où va "l'énergie perdue"?