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Octobre 2023, Démonstration des effets de la supraconductivité


Au cours de l’évènement Fête de la Science, organisé en France généralement courant octobre, il y a des laboratoires de recherche qui ouvrent leurs portes pour faire partager la science avec le public.

Cette année, parmi tant d’autres thèmes, un chercheur du CNRS à l’institut Néel de Grenoble faisait découvrir les effets de la supraconductivité au cours de quelques expériences.
Première manip, il montrait la chute de la résistance électrique d’un matériau supraconducteur en l’inondant d’azote liquide ( à 77°K ou -195°C ), puis de l’annulation de toute résistance en observant l’illumination progressive puis totale d’une ampoule électrique alimentée par une pile.

Une des applications est l’utilisation de matériau supraconducteur pour alimenter les électro-aimants de l’accélérateur de particules du CERN, le dimensionnement et la consommation de courant électrique sont moins importants.




La deuxième manip est plus spectaculaire, le chercheur montre un aimant qui lévite au-dessus d’un matériau supraconducteur monté au-dessus d’un seau rempli d’azote liquide ( ce phénomène se produit à très basse température ), il se produit l’expulsion du champ magnétique de l’aimant ( c’est l’effet Meissner ), l’aimant n’est ni collé ( aimantation par le contact de pôles magnétiques différents ) et n’est ni expulsé ( par l’impossible union de deux pôles identiques ).
Il se produit même un phénomène d’ancrage qui empêche l’aimant de chuter !

Une des applications est la réalisation d’un train (supraconducteur) qui peut avancer très vite à cause de la suppression des frottement sur des rails.

Félicitations au chercheur très pédagogue qui n’a pas hésité à faire participer tous les participants à toucher l’expérience !






Mai 2023, Visite du CERN à Genève


Le CERN ( Centre d’étude et de recherche nucléaire ) est un site mondialement reconnu, il abrite un accélérateur de particules, le LHC ( Large Hadron Collider ) de très grande taille ( 27 km de circonférence à 100 mètres sous terre ) qui permet de déclencher des collisions de protons.

Par le dégagement d’énergie ainsi généré, les collisions génèrent une sorte de minuscule échantillon éphémère de l’univers qui a existé une fraction de seconde peu après le Big-Bang.

Lorsque les moyens d’observations astronomiques butent à l’horizon cosmologique de 300000 ans après le Big-Bang, les physiciens poursuivent des expériences sur accélérateur de particules pour reconstituer les conditions qui se rapprochent du tout début de l’univers ( lorsque la densité et la température tendent vers l’infini ). Par ce biais, de nouvelles particules et scénarios de comportement de la matière sont étudiées.

Il est conseillé pour bien comprendre ce qu’il se passe au CERN de s’initier aux bases de la physique et de l’électromagnétisme avant de venir ! Un nouveau centre d'expositions sera ouvert au public pour 2024, il est censé être plus accessible pour le jeune public.



Exposition : L'univers des particules

A l’extérieur du site, le Globe de la Science et de l’innovation est une structure en bois emblème du CERN , il y a une salle de conférence et une exposition ‘’ l’univers des particules ‘’ qui permet au visiteur de s'instruire sur un univers d’une dimension totalement différente que celle que nous connaissons dans la vie quotidienne.

Nous avons eu un coup de cœur , pour une œuvre située à proximité du Globe : il s’agit d’un grand ruban métallique qui serpente du sol jusque vers le ciel ; sur une face est inscrit des lignes de découvertes scientifiques et sur l’autre est gravé des croquis avec des formules liés à la science qui a progressé de l’antiquité jusqu’à la Découverte au CERN du Boson de Higgs en 2012.



Je profite d’une vue rapprochée de cette œuvre nommée : Wanderning the immeasurable ou Pérégrinations à l’infini de l’artiste Gayle Hermick en 2014 ; pour résumer le Modèle Standard qui est le projet principal de la recherche du CERN.

La matière est constituée de différentes briques qui s’appellent des atomes et qui sont observables à l’aide d’un microscope électronique.
Les atomes se sont construits durant les différentes phases de l’histoire de l’univers avec une contribution majeure des étoiles de toutes sortes. Les atomes sont énumérés dans le Tableau périodique des éléments de Mendeleïev, ordonnés par un numéro atomique croissant.

Le premier élément est l’atome d’hydrogène qui est composé d’un noyau ( un neutron et un proton de charge électrique + ) et d’un électron de charge électrique – gravitant autour.


Le chiffre associé à la lettre désignant l'atome n'est pas le numéro atomique mais la masse atomique ( le CERN est très lié à l'explication des masses des particules ! )



Viennent ensuite d’autres atomes avec plusieurs protons/neutrons et des électrons distribués sur différentes couches (orbites).

Les scientifiques ont commencé à étudier un système atomique comme un système planétaire microscopique à l’aide de la mécanique classique. Aucune comparaison sérieuse n’est possible, ce fut un échec dans la description de ce monde de ‘’l’infiniment petit ‘’ et c’est ce qui a conduit à l’émergence de la mécanique quantique, une nouvelle physique … totalement déroutante !

Le Cern va au-delà de la dimension de l’atome et s’intéresse aux particules élémentaires ( constituées d’aucune autres particules encore plus petites ) et de leurs environnements pour expliquer les 4 forces fondamentales qui expliquent les phénomènes physiques responsables de la constitution de l’Univers.

Il y a les particules de matière qui contiennent les quarks et les leptons.

Il y a les particules de jauge qui sont les bosons porteur des intéractions des forces fondamentales.



Dans la famille des quarks (1969) : il y a le up et le down qui construisent les nucléons ( neutron et protons ) : 2 Up et 1 down constituent le proton ; 1 Up et 2 down constitue le neutron

Il y a d’autres quarks plus instables : le charm, le strange , le top et le bottom.

Dans la famille des leptons : il y a l’électron (1897) , le muon (1936) et le Tau

Il existe aussi leurs particules fantômes : les neutrinos (1970) ( difficilement détectable et ayant une masse presque nulle )

Dans la famille des Bosons , les particules de jauge :

- Le Gluon (1979) est celle qui rend possible l’intéraction nucléaire forte, qui permet de solidariser comme une ‘’glue’’ les quarks et les nucléons.

- Le Photon (1923) est celle qui rend possible l’intéraction de l’électromagnétisme, qui permet aux atomes d’exister et de s’associer.

- Les Bosons W+ W- et Z (1983 au CERN) qui rendent possible l’intéraction nucléaire faible, qui permet aux étoiles de briller.

Il y a enfin le très médiatique Boson de Higgs , qui explique pourquoi certaines particules ont des masses, c’est la fierté du CERN car il a été découvert / confirmé en 2012 par la construction du plus grand accélérateur de particules du monde ainsi justifiée : le LHC

Les Bosons de Higgs présents dans le vide , freinent plus ou moins toutes les autres particules en fonction de leurs caractéristiques:
> Un photon n’est pas en intéraction avec ce boson , il n’a donc pas de masse, n’est pas freiné et file à la vitesse maximale de celle de la lumière.
> Un quark sera bien sensible aux bosons de Higgs, il sera freiné et va acquérir ainsi une masse.







Poster des accélérateurs en cascade du LHC au CERN (photographies issues de l'exposition de l'Univers des particules)


Les protons sont prélevés des atomes d’hydrogène stockés dans une bouteille.

Ils sont accélérés dans un champ électrique d’ un accélérateur linéaire.

Ils sont ensuite envoyés en paquets et accélérés dans un synchrotron booster (PSB) de 157 mètres de circonférence pour être de nouveau injectés dans un plus gros synchrotron (PS) de 628 mètres , les paquets de protons voyagent déjà presque à la vitesse de la lumière et à défaut de gagner beaucoup plus de vitesse dans le super synchrotron (SPS) suivant, ils vont emmagasinés de plus en plus d’énergie ( en électrons-volt ).

Les paquets de protons vont monter sérieusement en puissance en circulant en sens inverse dans le (LHC), à 100 mètres sous terre dans un tunnel de près de 27 kms de circonférence.

Une quantité d’électroaimants supraconducteurs permettent de redresser, focaliser puis injecter les paquets de protons les uns contre les autres au foyer de super détecteurs comme le détecteur ATLAS spécialement conçu pour détecter le boson de Higgs.







Photo du haut : Section cylindrique type de l'accélérateur, exposée près de l'accueil des visiteurs du CERN
Photo du bas : Section de l'intérieur de l'accélérateur du LHC avec les deux tubes internes où un vide est créé ( entourés d'électro-aimants supraconducteurs créant un puissant champ magnétique de 8,3 Teslas, refroidis à 1,9 Kelvin ou -271,3°C ) où circulent les paquets de protons, un tuyau pour un sens et l'autre pour le sens contraire, visible à l'exposition de l'Univers des particules.


Bâtiment du CERN 100 mètres au dessus du détecteur ATLAS du LHC ( il est dessiné à une échelle 1/2 sur la façade )

Avril 2023 : Photos souvenir de la visite du "Palais de l'Astronomie" de Charles Garnier, à l'Observatoire de Nice


La grande coupole


Détail du fronton, avec "L'Apollon sortant du ziodiaque" aussi surnommé le Dieu de la Science, avec son allure de Pharaon égyptien avec des bras de Statue de la Liberté !


La coupole conçue par Gustave Eiffel et la lunette de 76cm sur le grand équatorial (1888 )




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Observer l'Univers - Blog Astro - Sciences (Sciences - Astronomie)    -    Auteur : Frédéric - France


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