MOOC « Voyages de l’infiniment grand à l’infiniment petit »

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Cette série de 4 MOOCs proposée en français s’adresse aux lycéens scientifiques, à leurs enseignants, aux étudiants en licence de physique et, plus généralement, à toute personne intéressée par la « physique des deux infinis ».    

Ce MOOC s’appuie sur des notions de physique enseignées pour le baccalauréat scientifique et attendues en début d’un premier cycle universitaire en physique, en particulier en mécanique classique et électromagnétisme.

Ce cours est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire d’Excellence P2IO (Physique des 2 Infinis et des Origines), l’École polytechnique, le CNRS, le CEA et l’Université Paris-Sud

Les cours seront diffusés via la plateforme Coursera

Dès le 12 février

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Le MOOC « Voyage de l’infiniment grand à l’infiniment petit » se compose de quatre parcours de dix modules chacun.

 

P1. Panorama

  • distances observées, énergies requises; ; différentes disciplines
  • panorama historique – découvertes
  • « animations » de la nouvelle affiche des composants élémentaires
  • ordre de grandeur et unités

P2. Atome, noyau, quark

  • mise en évidence des atomes, de l'électron, du noyau atomique
  • composition en proton et neutron, tableau de Mendeleïev
  • stabilité et instabilité des noyaux radioactifs
  • la radioactivité beta et les quarks
  • composition des protons et neutrons en quarks

P3. E=mc² et alors ?

  • énergie de masse et illustration : fission et fusion de noyaux, création de nouvelles particules
  • physique des particules relativiste par nature
  • découverte de l'antimatière
  • propriétés : charges, création et annihilation de paires

P4. Les interactions fondamentales

  • les quatre forces fondamentales
  • les bosons vecteurs, illustration avec le photon

P5. Le modèle standard

  • structure du tableau (quarks et leptons, bosons vecteurs) et leur répétition
  • rôle particulier du boson de Higgs dans le modèle standard -- et sa découverte
  • les réussites du modèle standard

P6. Les accélérateurs de particules

  • créer de nouvelles particules par des collisions d'énergie très élevées
  • principes généraux des accélérateurs de particule (aimants pour accélérer et dévier, paquets)
  • illustration avec des accélérateurs passés (LEP, Tevatron, LHC)

P7. Voir ou ne pas voir

  • deux chemins : relativité (production directe) ou mécanique quantique (production indirecte)
  • qu’est-ce qu’une observation dans chacun des deux cas ?
  • complémentarité

P8. Détecter les particules

  • exemple du LHC (CMS + animation ATLAS montrant le passage des particules à travers des différentes couches de détecteur)
  • les étapes d'une analyse
  • la notion d'incertitude
  • l'accumulation de données
  • la comparaison entre théorie et expérience

P9. LHC

  • rappel rapide de ses principales caractéristiques (collisionneur + détecteurs), déjà vues dans les cours précédents
  • résultats du Run 1
  • Long Shutdown 1
  • début du Run 2
  • perspectives à plus long terme / que faire après le LHC !

P10. Avenir

  • au-delà du MS : quelques raisons pour vouloir étendre le modèle standard, en particulier l'unification des forces et l'introduction de la gravité
  • le jeu pour des théories au-delà du modèle standard
  • projets futurs: ILC, super LHC
  • connexions avec infiniment grand

G1. Panorama

  • échelles de distance : année lumière, distances caractéristiques – Terre-Lune, Terre-Soleil, système solaire, étoile la plus proche, galaxie, âge/taille de l’Univers
  • structures de l’Univers
  • dilatation de l’espace-temps
  • voir loin c’est voir dans le passé
  • composition de l’Univers

G2. Lumière et autres messagers

  • Les différents messagers (photons, particules chargées, neutrinos)
  • les gammes d’énergie associées aux différents phénomènes
  • les outils d’étude : télescopes versus ballons versus satellites

G3. Étoiles

  • fonctionnement d’une étoile : astro et nucléaire
  • vie et mort d’une étoile

G4. Forces

  • l’électromagnétisme
  • la gravitation -- + la relativité générale

G5. Structures

  • structuration en galaxies, amas de galaxies, superamas de galaxie
  • études expérimentales de cette structuration
  • simulations

G6. Histoire de l’Univers

  • big-bang, inflation, transitions, âges sombres, premières étoiles, grandes structures
  • expansion de l’Univers, et accélération de cette expansion

G7. Composition de l’Univers

  • CMB + supernova surveys
  • composition énergétique de l’Univers
  • matière noire et énergie noire

G8. Satellites

  • les limites des télescopes terrestres
  • les défis de l’observation dans l’espace
  • illustration avec Planck

G9. Tests de la relativité générale

  • pulsars et trous noirs
  • lentilles gravitationnelles
  • ondes gravitationnelles
  • expériences associées (Virgo…)

G10. Futur

  • questions théoriques en suspens (matière noire, énergie noire, grandes structures de l'Univers)
  • quelques exemples: LSST, Euclid (énergie et formation des structures), Athena, JWST

A1. Introduction

  • recherche fondamentale · avancée de la connaissance
  • importance dans l’évolution de l’humanité et pour son présent/futur
  • développements technologiques associés · retombées pour la société : immédiates/à long terme, attendues/inattendues
  • quelques exemples : web, grille / « Big Data », imagerie, radiothérapie, nucléaire civil, GPS
  • manpower important, diversité des métiers/compétences, contrats industriels (acquisition de nouveaux savoir-faire + production en grande série)

A2. Grandes collaborations

  • évolution des tailles au cours du temps
  • motivations pour ce changement : ressources financières, manpower, compétences, impossibilité pour un pays (une région du monde) seul(e) de gérer de tels projets
  • une expérience = un « appareillage » unique, à la fois prototype et détecteur construit pour fonctionner dans la durée
  • sociologie : comment fonctionne une expérience avec un grand nombre de centres éparpillés (discussions ? approbation des résultats ? publications ?)

A3. Métiers de la recherche

  • métiers de la recherche : grande diversité de disciplines (électronique, cryogénie…), et de profils (chercheurs, mais aussi ingénieurs, techniciens…)
  • organisation du monde de la recherche

A4. Énergie nucléaire

  • principe de la fission, de la fusion
  • réacteurs actuels et prochaine génération
  • Iter

A5. Web/grille/big data

  • nécessité d’échanger des données en quantité
  • mise en place de réseaux : internet, grille (structure actuelle)

A6. Rayonnement synchrotron

  • principe du rayonnement synchrotron
  • applications (Soleil)

A7. Médical

  • techniques d’imagerie
  • radiothérapie
  • hadronthérapie

A8. GPS

  • principe de base
  • corrections relativistes

A9. Electronique

  • diode et transistor
  • applications dans la vie courante
  • applications en physique des deux infinis

A10. Techniques émergentes et applications futures

  • détection de neutrinos
  • volcans en muographie
  • surveillance de matières radioactives

 

Comité éditorial :

  • N. Arnaud (LAL, CNRS/IN2P3 et Univ. Paris-Sud),
  • S. Descotes- Genon (LPT, CNRS/INP et Univ. Paris-Sud),
  • O. Drapier (LLR, Ecole polytechnique et CNRS/IN2P3) 
  • P. Schune (DPhP, CEA/Irfu)


Liste des 17 orateurs et oratrices pour les 4 parcours :

  • Elias Khan : physicien à l’Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO, Univ. Paris- Sud/CNRS-IN2P3)
  • Esther Ferrer-Ribas : physicienne au Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP, CEA-Irfu)
  • Jean Duprat : physicien au Centre des Sciences Nucléaires et Sciences de la Matière (CSNSM, CNRS-IN2P3/Univ. Paris-Sud)
  • Jihane Maalmi : ingénieure au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL, CNRS- IN2P3/Univ. Paris-Sud)
  • Julie Malclès : physicienne au Département de Physique des Particules (DPhP, CEA-Irfu)
  • Marc Sauvage : physicien au Département d'Astrophysique (DAp, CEA-Irfu)
  • Michel Jouvin : ingénieur au Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL, CNRS- IN2P3/Univ. Paris-Sud)
  • Nabila Aghanim : physicienne à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS, Univ. Paris-Sud/CNRS- INSU)
  • Nathalie Palanque Delabrouille : physicienne au Département d'Astrophysique (DPhP, CEA-Irfu)
  • Sébastien Bousson : physicien à l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO, CNRS- IN2P3/Univ. Paris-Sud)
  • Sébastien Descotes-Genon : physicien au Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay (LPT, CNRS-INP/Univ. Paris-Sud)
  • Sébastien Jan : physicien au Service Hospitalier Frédéric Joliot de la Direction de la Recherche Fondamentale (SHFJ, CEA-Joliot)
  • Sébastien Procureur : physicien au Laboratoire de Structure Nucléaire (DPHN, CEA-Irfu)
  • Stéphanie Baffioni: physicienne au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, X/CNRS-IN2P3)
  • Thomas Mueller: physicien au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, X/CNRS-IN2P3)
  • Yann Mambrini: physicien au Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay (LPT, CNRS- INP/Univ. Paris-Sud)
  • Yasmine Amhis: physicienne au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL, CNRS- IN2P3/Univ. Paris-Sud)
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