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LPHE - Enseignement - Cours donnés par l'LPHE
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Cours de Physique générale donnés par le LPHE

 

3101 - Physique générale

Ens : M.-T. Tran , M.E.R. Phys. Fac.

Programme du cours de Physique Générale pour étudiants en biologie, sciences de la terre et informatique

Mécanique
Introduction. Mesures, unités.
Cinématique à une dimension du point matériel. Vecteurs.
Cinématique à deux et trois dimensions de la particule. Mouvements relatifs.
Dynamique de la particule. Lois de Newton. Lois de Kepler.
Dynamique de la particule. Travail, puissance, énergie.
Systèmes de particules. Dynamique du solide. Loi de Newton pour la rotation. Parallèle entre la Mécanique de la particule et celle du solide autour d'un axe fixe. Importance des lois de conservation.

Eléments d'élasticité. Hydrostatique.Tension superficielle. Capillarité.
Hydrodynamique. Equation de continuité. Théorème de Bernoulli.
Effet Magnus. Ecoulement visqueux. Nombre de Reynolds.

Thermodynamique
De la Mécanique à la Thermodynamique. Equations d'état d'un système. Premier principe.
Introduction à la théorie cinétique des gaz. Définition de la pression. Définition de la température. Equipartition de l'énergie.
Chaleurs molaires d'un gaz à volume et à pression constantes. Détente adiabatique d'un gaz parfait.
Phénomènes de transport: viscosité, conduction de la chaleur, diffusion.
Analyse microscopique de la détente de Joule. Entropie - Deuxième principe. Entropie et machines thermiques. Réversibilité et irréversibilité
Les autres potentiels thermodynamiques. Le potentiel chimique. Equilibre entre phases.

Introduction à la Thermodynamique chimique. Pression osmotique.

Electrostatique et magnétostatique
Parallèle entre force de gravitation et force électrostatique. Le champ électrostatique. Loi de Gauss. Potentiel électrique.
Définition du champ magnétique. Mouvement dans un champ magnétique. Lois de Lorentz et de Laplace. Loi d'Ampère.

Phénomènes ondulatoires
Caractéristiques générales des ondes. Addition des ondes.Construction de Fresnel. Ondes stationnaires.
Acoustique. Perception des ondes sonores. Battements. Effet Doppler.
Les ondes électromagnétiques. Equations de Maxwell. Principe de Huygens. Interférence et diffraction. Diffraction par une ouverture circulaire. Critère de Rayleigh.

Vers la Physique Quantique
Le photon. L'effet photoélectrique. Einstein et la quantification du rayonnement. L'effet Compton. Onde ou particule ?
Existence de niveaux d'énergie dans les atomes. Expérience de Franck et Hertz.





Cours spécialisés donnés par le LPHE

 

3301 - Physique nucléaire et corpusculaire I et II

Ens : O. Schneider , prof. Phys. Fac.

Physique corpusculaire :

H C2h/sem. E1h/sem. PhF, PhE 3e

Introduction : matière et lumière, radioactivité, l'atome de Rutherford. Cinématique relativiste. Interaction des rayonnements dans la matière : particules chargées, photons, neutrons.

Application aux détecteurs : scintillateurs, détecteurs d'ionisation à gaz, détecteurs à semi-conducteurs, détecteurs Tchérenkov, détecteurs de photons, détecteurs de neutrons, calorimètres électromagnétiques et hadroniques.

Les accélérateurs de particules : linéaire, cyclotron, synchro-cyclotron, synchrotron, collisionneurs.

Introduction à la physique corpusculaire : le pion et le muon, découvertes et propriétés, le positon, particules et anti-particules, le neutrino, le pion neutre. Les particules étranges, kaon et lambda. Mésons, leptons et baryons.

Règle d'or de Fermi. Etats métastables et résonances.

Classification des particules et lois de conservation, spin, isospin, nombre baryonique, hypercharge. La structure en quarks des hadrons. Les gluons. La couleur. Diagrammes de Feynman. La chromodynamique quantique. Les saveurs lourdes : charme et beauté. Le lepton tau. Interaction faible et les bosons vecteurs intermédiaires. Symétries P, C, T.

Physique nucléaire :

Et C2h/sem. E1h/sem. TP4h/sem. PhF, PhE, 3e

Introduction à la physique nucléaire : Propriétés et structure du noyau atomique : taille, masse. Le modèle du gaz de Fermi et la formule de la masse. Radioactivité alpha, béta et gamma. Le modèle en couches ; spin nucléaire, moment magnétique dipolaire, moment quadrupolaire électrique. Caractérisation des réactions nucléaires, diffusion et réaction, résonances de Breit-Wigner. Le modèle du noyau composé. Puits de potentiel et modèle optique. Interactions directes.

Préalable requis : physique générale.
 
 

3302 - TP physique nucléaire et corpusculaire 3e année

Ens : O. Schneider , prof. Phys. Fac.

H 4h/sem. PhE 3e, Et 4h/sem. PhF 3e

Un ensemble d'expériences servant d'introduction aux techniques propres à la physique nucléaire et corpusculaire est proposé. Chaque groupe, composé de deux étudiants, réalise une expérience par séance de quatre heures. Les expériences proposées sont destinées à familiariser les étudiants avec les interactions des rayonnements alpha, béta et gamma avec la matière, avec les techniques de spectrométries alpha, béta et gamma, ainsi qu'avec la technique des coïncidences et les méthodes statistiques. Le choix des appareillages mis en oeuvre couvre un large spectre des détecteurs couramment utilisés en physique nucléaire.

Préalable requis : aucun.
 
 

3303 - Particules élémentaires I et II

Ens : A. Bay , prof. Phys. Fac.

H Et C2h/sem. E1h/sem.PhF, PhE 4e

Introduction : le Modèle Standard, une étape vers la Grande Unification. Rappels : détecteurs, accélérateurs, radioactivité, rayonnement cosmique. Particules, astrophysique et cosmologie. Relativité restreinte, équations de Klein-Gordon et de Dirac. Propriétés des particules : masse, charge, temps de vie, spin, moment magnétique...

Symétries et lois de conservation : invariance par translation et rotation, parité, conjugaison de charge, inversion temporelle, violation de P et de CP, théorème CPT, l'isospin.

Introduction à l'électrodynamique quantique, les règles de Feynman, les facteurs de forme.

Partons et quarks : diffusion électron-nucléon, annihilation électron-positron, jets et cordes.

L'interaction faible : la théorie de Fermi, théorie V-A, désintégration du pion et du muon, la théorie de Cabibbo, les bosons W et Z et leur observation aux collisionneurs.

Modèle des quarks et QCD : SU(3) saveur, structure des mesons et des baryons, SU(N) saveur, quarkonium : J/Psi et Upsilon, la couleur.

Théories de jauge et le Modèle Standard : invariance de jauge globale et locale, théorie de Yang et Mills, la brisure spontanée de symétrie, la théorie Electrofaible : SU(2)xU(1), le Higgs, les GUTs, la grande unification.

Préalable requis : Physique nucléaire et corpusculaire I et II, Physique quantique I et II.
 
 

3304 - Détection des particules

Ens : Guido Haefeli , Fonctionnaire scientifique EPFL

H C2h/sem. E1h/sem. PhF, PhE 4e

OBJECTIFS

Introduction aux méthodes les plus importantes détection des particules et leurs applications en physique nucléaire et corpusculaire.

CONTENU

Interaction des particules à travers la matière : ionisation (formule de Bethe-Bloch), interaction des électrons et des photons (gerbes électromagnétiques, longueur de rayonnement et énergie critique).

Caractéristiques générales des détecteurs : linéarité, rendement, résolution et facteur de Fano.

Détecteurs à gaz : compteurs à ionisation, proportionnel et Geiger-Muller, chambres proportionnelles multifilaires, à dérive, à projection temporelle, détecteurs à gaz à microstructures.

Détecteurs à semiconducteur : jonction pn, détecteurs diode silicium et germanium,. détecteurs à silicium à micro pistes et à pixels.

Scintillateurs: scintillateurs organiques et inorganiques, déplaceurs de longueur dêonde et guides de lumières.

Photodétecteurs : photomultiplicateurs, photodiodes et autres alternatives.

Applications: mesure de la quantité de mouvement dans les champs magnétiques, calorimétrie, identification des particules.

Exemples : les techniques de détection sont illustrées par des exemples reliés à la recherche effectuée dans notre groupe de physique corpusculaire à Lausanne.
 
 

3306 - Modèles nucléaires

Ens : O. Schneider , prof. Phys. Fac.

Et C2h/sem. E1h/sem. PhF, PhE 4e

Rappel des propriétés générales du noyau atomique. Spin 1/2. Moments cinétiques et rotations, théorème de Wigner-Eckart.

Mouvement d'une particule dans un champ central. Etats liés. Le système de deux nucléons, états de diffusion et état lié, le Deuton, la force tensorielle.

Système de A nucléons. Modèles de structure ; modèle en couches et modèles collectifs. Le modèle de Nilsson.

Préalable requis : Physique nucléaire et corpusculaire I et II, Physique quantique I et II.
 
 

3307 - Réactions nucléaires et collisions d'ions relativistes

Ens : A. Bay , Prof. Phys. Fac.

Et C2h/sem. E1h/sem. PhF, PhE 4e

Modèle des réactions. La polarisation. La capture pionique. Résonances et noyau composé, le modèle optique, les réactions directes. Le plasma de quarks et gluons. Implications en Astrophysique et Cosmologie. Production par collision d'ions. Signatures du plasma.

Préalable requis : Physique nucléaire et corpusculaire I et II, Physique quantique I et II.
 
 

3308 - Introduction aux astroparticules

Ens : A. Bay , Prof Phys. Fac.

Et C2h/sem. E1h/sem. PhF, PhE 4e

Physique des astroparticules (théorie)

1. Introduction général : Le système des unités dans la physique des hautes énergies. Les propriétés fondamentales de l'univers. Le diagramme de Hubble. Le rayonnement fossile.

2. La cosmologie standard (théorie du Big Bang) : L'âge de l'univers. L'univers dominé par la radiation et par la matière. La métrique de FRW. Les effets de la courbure : l'univers ouvert et fermé. La constante cosmologique.

3. Les processus physiques dans l'univers primitif : L'équilibre thermique et la brisure de l'équilibre. L'équation de Saha. Les neutrinos dans l'univers. La brisure des symétries C et CP. La baryogénèse. La nucléosynthèse primordiale.

4. L'univers inflationnaire : Les problèmes d'isotropie, d'horizon et de causalité. La dynamique des champs scalaires dans l'univers. Une solution du problème des données initiales

Les rayons cosmiques : Spectre et composition, moyens de détection. Les cosmiques d'énergie ultra élevée, détection, leur interaction avec le fond à 2.7 °K. Les modèles d'accélération de Fermi, de premier et deuxième ordre. L'accélération dans la magnétosphère des Pulsars. L'accélération dans le Soleil. Les sources exotiques.

La radiation électromagnétique : Mécanismes de production, lignes spectrales et continuum. Mécanismes d'absorption. Les détecteurs embarqués et au sol. Le projet GLAST. L'imagerie Cherenkov. Les sources gamma avec E>100 GeV, Geminga, les "Gamma Ray Burst". Exemples de simulation de gerbes gamma et hadroniques.

Les neutrinos : Mécanismes de production. Interaction avec la matière. Neutrinos stellaires. L'oscillation des neutrinos solaires. Les neutrinos des Supernovae. L'oscillation des neutrinos atmosphériques. Les détecteurs.

Préalable requis : Physique nucléaire et corpusculaire I et II, Physique quantique I et II.
 
 

3309 - TP physique des particules I et II

Ens : A. Bay , prof. Phys. Fac.

H Et 12h/sem. 4e

Au premier semestre, une expérience complète de physique nucléaire ou de particules est proposée à un groupe de deux étudiants. Par exemple, on demandera de mesurer le moment magnétique du muon. Durant toute la durée des travaux pratiques, avec l'aide d'un assistant, le groupe étudiera les aspects théoriques du problème, déterminera la technique expérimentale à mettre en oeuvre, réalisera le montage expérimental et les mesures de contrôle nécessaires, effectuera la saisie des données ainsi que l'analyse et l'interprétation de ces dernières.

Expériences proposées :

* Moment magnétique des muons

* Utilisation d'un accélerateur de Van de Graaff

* Section efficace de Rutherford

* Observation d'une résonance proton-carbone 12

* Accélerateur utilisé comme source de neutron

* Simulations par ordinateur

* Spectre d'une source de Pu-Be

* Diffusion de neutrons de 14 MeV

* Spectromètre Beta

Au deuxième semestre l'étudiant sera inséré dans un groupe de recherche et initié aux méthodes qui seront utilisées pendant le travail de diplôme.

Préalable requis : travaux pratiques de physique nucléaire de 3e année.
 
 

3311 - Séminaire de physique des particules

Ens : A. Bay et O. Schneider , profs Phys. Fac.

H Et S2h/sem.

Les participants (conférenciers invités, diplômants, doctorants et assistants) présentent des exposés sur des problèmes de physique des particules.