20PYSCOPO1
Page 7 sur 14 EXERCICE II : LES ACCÉLERATEURS MONTENT EN PUISSANCE (6 points)

Pour percer les secrets de la matière à l’échelle subatomique, les physiciens construisent depuis plus de cinquante ans, des collisionneurs de particules de plus en plus puissants. Le dernier né de cette famille est le Grand Collisionneur de
Hadrons* : le LHC pour « Large Hadrons Collider » construit par le laboratoire européen de physique des particules, le CERN, situé près de Genève. C’est le …afficher plus de contenu…

Étude simplifiée d’un accélérateur de protons Un proton de charge e et de masse mp pénètre dans un accélérateur linéaire de particules. À t = 0 s, le proton est situé en O et possède une vitesse initiale de valeur v0 = 2,0 × 103 m.s-1 et de direction Ox (voir schéma ci-après).
Entre les armatures A et B, séparées d’une distance l = 6,5 cm, règne un champ électrostatique uniforme de valeur E = 10,0 kV.m-1.
On négligera le poids devant la force électrique.
1.1. Représenter, sans souci d’échelle, la force électriqueF

appliquée au proton ainsi que le vecteur accélération a

de celui-ci sur le document de l’ANNEXE
À RENDRE AVEC LA COPIE. Justifier. 1.2. Vitesse et énergie du proton
1.2.1. Après avoir établi l’expression du vecteur accélération dans le …afficher plus de contenu…

Vérifier que cette équation est cohérente avec la valeur de t1 donnée dans la question précédente. 1.2.4. Calculer l’augmentation d’énergie cinétique de ce proton entre les armatures A et B. Comparer avec l’énergie attendue dans le LHC.
Comment peut-on atteindre la valeur attendue ?
Armature A Armature B l y
O Proton x 20PYSCOPO1
Page 9 sur 14 1.3. On s’interroge sur le fonctionnement de ce dispositif avec d’autres particules.
1.3.1. Ce dispositif peut-il fonctionner avec un neutron ? Justifier votre réponse. 1.3.2. Que faudra-t-il modifier si l’on souhaite accélérer un électron ?

2. Collision entre deux protons Dans le LHC, deux faisceaux de protons ayant la même énergie cinétique se percutent de manière frontale en des points où sont placés de gigantesques