Dans cette activité les étudiants analysent et interprètent une série d'images d'événement montrant les "traces" de collisions de particules produites dans un détecteur. Pour introduire cette activité, revoyez les caractéristiques physique d'un détecteur de particule, en vous basant sur le schéma de section transversale d'un détecteur de l'Activité quatre.
Attirez l'attention des étudiants sur ce schéma. Faites les nommer les différentes couches du détecteur et décrire leur fonctions (voir le Glossaire). Si certains étudiants ont étudié seuls les composants d'un détecteur, faites les rapporter leur découverte à la classe.
Après avoir discuté des différents sous-détecteurs et de leur fonction, les étudiants auront la possibilité d'étudier un événement dans un détecteur de la même façon que les physiciens. Revoyez le matériel d'introduction et les "règles du jeu" en classe. Faites ensuite travailler les étudiants seul ou en binôme pour analyser et interpréter les quatre événements représentés.
Les particules sont : un électron et un positron (antiélectron) qui sont émis à 180° l'un de l'autre et se déplacent dans des directions opposées. Leur trajectoire est courbée de façon opposée par le champ magnétique.
événement 2 : Les particules sont : un muon et un antimuon.
événement 3 : Les particules sont : un muon et un positron, ou un antimuon et un électron plus quelques particules invisibles nécessaires pour la conservation de l'impulsion.
Comme les particules originales sont e+ et e-, la charge totale est zéro. De plus, une des particules finales est positive et l'autre négative. Vous pouvez déterminer la charge électrique de chacune à partir de la courbure des traces.
Comme les particules originales ont des impulsions égales et opposées, l'impulsion résultante est nulle. Cela signifie qu'il doit y avoir des particules invisibles (neutrinos) dans cet événement qui emportent de l'impulsion, car les traces observées n'équilibrent pas les impulsions (on parle d'impulsion manquante).
1/ Lorsque les étudiants auront fini cette activité, engagez une discussion en classe sur les particules élémentaires et l'équipement utilisé pour enregistrer leur comportement. Demandez pourquoi les détecteurs sont construits en couche nombreuses et pourquoi chaque type de particules a une trajectoire caractéristique
2/ Suggérez que les étudiants évaluent ce qu'ils ont appris en travaillant de nouveau sur la feuille d'activité une de ce programme et redonnez leur les réponses à chaque question.
1/ Faites remarquer l'importance de l'espace vide qui existe dans un atome et un proton en utilisant un terrain de football, une bille et 3 à 6 balles de golf. Le terrain dans son entier représente l'atome : la bille ,placée au centre du terrain, représente le noyau, qui, a l'échelle, serait en fait un petit peu plus petit qu'une bille. Faites rechercher la bille par les étudiants en partant des côtés du terrain.
Demandez leur d'imaginer qu'un microscope puissant agrandit le noyau jusqu'à ce qu'un proton unique devienne aussi large que le terrain de football. Ce vaste espace est occupé uniquement par trois minuscules objets -les quarks- représentés par trois balles de golf dispersées aléatoirement sur le terrain.
2/ Encouragez les étudiants à faire des présentations créatives d'une illustration ou d'une partie spécifique du poster du Modèle Standard : bandes dessinées, histoires racontées à partir du point de vue d'une particule, danses illustrant les caractéristiques et interactions des particules, ou encore des variations humoristiques des définitions usuelles. La bibliographie vous fournira un point de départ pour la recherche d'information.
3/Utiliser un petit bassin à vagues pour montrer que des particules de grande longueur d'ondes ne peuvent détecter de petites structures. Générer une onde de front droite et placer un obstacle plus petit que la longueur d'onde dans l'eau, puis diminuer la longueur d'onde jusqu'à ce qu'elle atteigne la même taille que l'obstacle. La rupture résultante dans les vagues, montre bien que les petites structures ne sont visibles qu'avec des vagues de petites longueur d'onde. De la même façon, de petites particules ne seront visibles qu'avec des faisceaux de particules de haute énergie (très courte longueur d'onde).
4/ Une simple chambre à brouillard - un des premier types de détecteur de traces de particules- peut vous aider à expérimenter des traces de particules. Vous pouvez utiliser une chambre du commerce (telle la chambre à brouillard de Wilson), ou réaliser la vôtre. Renversez une jarre en verre de large ouverture et faites la reposer sur son couvercle. Recouvrez l'intérieur du couvercle et les cotés avec du papier noir, laissez un trou pour la source lumineuse. remplissez le fond de la chambre avec 1/2 cm de méthylal et posez la chambre sur de la glace sèche.
Une chambre du commerce possède sa propre source radioactive; si vous construisez votre propre chambre, utilisez de l'uranium ou un détecteur de fumée radioactif. Placez la source dans la chambre, et mettez une lumière forte à 10 cm de la chambre. Les particules chargées telles les particules bêta, les protons et les particules alpha laisseront une trace de condensation lorsqu'elles ioniseront l'air de la chambre. Vous pouvez également observer des traces de rayonnement cosmique.
Les particules alpha laisseront des traces plus courtes (inférieures à quelques centimètres de longueur). Les traces les plus longues sont vraisemblablement dues aux particules bêta: elles peuvent être de charge positive (positrons) ou négative (électrons).