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Par : Pouliquen
Publié : 18 juin

Concours BL4S : A Beamline for school

"Le CERN offre à des lycéens du monde entier la possibilité de créer et de réaliser leur expérience sur une ligne de faisceau de l’un de ses accélérateurs. Que rêver de mieux pour en apprendre plus sur la physique ?
Découvrez la ligne de faisceau et ses infrastructures sur le site internet http://cern.ch/bl4s, puis imaginez une expérience simple et innovante. Enfin, envoyez-nous une description écrite de votre projet ainsi qu’une courte vidéo avant le 31 mars 2018."

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En 2018, nous avons décidé de découvrir les métiers de la recherche avec une classe de première S. Pour se mettre dans la peau d’un chercheur ; nous avons participé à un appel à projet international BL4S (BeamLine for school) pour aller mener une expérience au CERN près de Genève. En réalité, cela nous a surtout permis d’explorer des aspects importants de ce métier qui étaient peu connus des élèves :

La prise de risque : au début d’un travail de recherche, il faut se confronter à un manque de connaissances et à la crainte de ne pas réussir à obtenir de résultat.
La veille scientifique : il nous a fallu ensuite trouver des idées d’expériences en lisant les documents fournis par le concours, puis choisir une idée réalisable et pertinente.
L’appel à projet auprès d’organismes locaux ou internationaux : contrairement à ce que croyaient les élèves, le chercheur n’est pas libre de travailler sur n’importe quel sujet. Il doit convaincre ses pairs que son idée est pertinente pour avoir l’accès aux ressources nécessaires, subventions et matériels. Nous avons réalisé un protocole d’expérience en anglais et une vidéo pour convaincre un comité de sélection du CERN de nous donner un accès à l’un de leurs accélérateurs.
Le travail en collaboration avec des ingénieurs et d’autres chercheurs pour proposer et mettre au point un protocole pour un grand instrument. Seuls, nous n’avions pas les connaissances et les compétences pour réussir. Nous avons utilisé les documents techniques sur le matériel à disposition. Ensuite, nous avons rassemblé toutes nos questions et nous les avons envoyées au CERN afin que leurs réponses nous guident dans l’écriture d’un protocole réaliste.
• La présentation de notre travail lors de conférences.
• Si nous sommes sélectionnés, il nous restera à mener l’expérience, exploiter les mesures pour valider notre modèle et publier nos résultats dans une revue scientifique. Ces trois dernières phases, sont mieux connues des élèves, car elles sont souvent mises en œuvre lors des séances de travaux pratiques. Pour la majorité des élèves de la classe, le travail de chercheur se limitait à ces trois dernières phases.

Nous avons terminé à temps et envoyé deux projets complets, vidéos et protocoles. Le mois de mars a été très chargé mais aussi très formateur. La réalisation des vidéos notamment nous a pris du temps, et a forcé les élèves à gagner en autonomie et à se poser des questions sur les droits d’utilisations des ressources numériques. Les élèves d’aujourd’hui sont très créatifs au niveau des vidéos. Leur pratique de YouTube, Viméo... leur a donné une connaissance importante des techniques audiovisuelles. Il n’y a aucun problème technique.

Nous avons aussi visité le synchrotron Soleil pour leur montrer un vrai accélérateur et les appareillages que l’on trouve dans les grands instruments scientifiques. En effet pour le protocole, les élèves ont du mal à visualiser à partir des documents fournis à quoi ressemblent et ce que peuvent faire les différents capteurs.

Visites sur le thème de la physique des particules et de l’infiniment petit (sur la zone ; Normandie Paris)
(Cliquez sur l’image pour accéder à l’article sur le site de notre établissement)

À CaenÀ Orsay
http://pascal-lyc.spip.ac-rouen.fr/spip.php?article1405 voir en grand cette image
http://pascal-lyc.spip.ac-rouen.fr/spip.php?article1308 voir en grand cette image
Cyceron Les masterclass en Mars
http://pascal-lyc.spip.ac-rouen.fr/spip.php?article1410 voir en grand cette image
http://pascal-lyc.spip.ac-rouen.fr/spip.php?article1851 voir en grand cette image
Le Ganil Le synchrotron Soleil

Les difficultés (à lire si et seulement si vous voulez vous lancer dans l’aventure)

La pédagogie de projet est toujours délicate à mettre en place en France, car les programmes sont très précis et laissent peu de temps pour travailler sur des sujets connexes. Il faut donc avoir à sa disposition un certain volume horaire pour mener les activités nécessaires. Cela peut être mis en œuvre pendant les heures d’AP,les heures de DNL en section européenne, les TPE ou dans le cadre d’un club scientifique... Ce type de concours demande un temps de préparation long pour être réalisé pendant les horaires classiques de cours.

La physique des particules semble ne pas être abordée dans nos programmes. En réalité les outils, nécessaires à la compréhension de ces phénomènes sont presque tous présents dans la physique de première S. Une activité documentaire ou un exercice supplémentaire suffisent pour appliquer ces savoirs au projet.
• En début de première S : les photons, l’électron volt et l’interaction matière/ lumière constituent la base indispensable de ce travail. Ensuite, les élèves connaissent déjà les particules stables : électrons, protons et visualisent bien qu’elles ont une énergie en GeV et qu’elles vont interagir avec la matière.
• Ensuite nous abordons le nucléaire qui permet de comprendre la notion de désintégration, utile pour certaines particules pions, kaons qui peuvent se désintégrer lors de l’expérience. On introduit aussi la notion d’antiélectron ou d’antiparticule. On peut en profiter pour introduire l’existence d’autres particules instables.
• Enfin, les champs électriques et magnétiques sont indispensables pour comprendre un accélérateur de particules. Accélérer et faire tourner des particules chargées. Aucun calcul n’est nécessaire pour ce concours.
• Les élèves retrouveront aussi un grand nombre de ces notions dans leur programme de terminale en physique : la dualité onde corpuscule et la quantité de mouvement des particules, la mécanique en champ électrique pour accélérer les particules, la relativité restreinte, et bien sûr tout le numérique... Pour répondre à certaines questions, il m’a fallu en discuter un peu en fonction des besoins et des questions.
• Je n’ai pas du tout introduit la notion de force en physique des particules, les bosons ne se sont pas révélés utiles. Les calculs en relativité non plus. Ils utilisent des courbes dont l’abscisse correspond à la quantité de mouvement relativiste "momentum en GeV/c", mais il n’y a pas besoin de calculs, c’est un paramètre que l’on fixe expérimentalement.

Mes effectifs cette année : 35 élèves en AP et 21 lors des séances de DNL. Il est difficile de travailler en groupe avec des classes entières. Il faut privilégier de grandes salles équipées en îlots, des dates butoirs et des taches bien définies pour éviter trop de perte de temps. Cette année, nous avons formé 5 groupes avec des objectifs distincts. 2 sur les vidéos, 2 sur les protocoles et 1 sur les présentations, conférences... Pour réaliser la vidéo les élèves sont venus en dehors des heures de cours, sous ma surveillance. Et, pour savoir où en étaient les différents groupes nous avons publié régulièrement sur notre ENT, chaque groupe ayant un ordinateur et un responsable pour publier les avancées du groupe.

Il n’est pas possible de laisser les élèves chercher longtemps et de trouver par eux-mêmes. Ce type de concours international est exigeant en termes de temps et de qualité. Les élèves sont à l’initiative du travail, mais il faut planifier dès le début des dates butoirs et des étapes. Si les élèves s’orientent vers une direction fausse, il faut leur indiquer assez vite, car ils peuvent vite perdre beaucoup de temps sur une impasse. Ici la difficulté principale réside dans le choix du sujet. Un document cadre présente plusieurs idées possibles pour permettre de comprendre les expériences possibles. Les élèves sont influencés par des mots à la mode dans les reportages scientifiques comme "antimatière". Ils pensent en termes d’intérêt beaucoup plus qu’en termes de faisabilité. Cela amène ensuite des difficultés pour la rédaction du protocole. Mieux vaut éviter d’être trop ambitieux au départ. Par exemple, dans notre projet, les antiprotons sont très rares dans le faisceau, mieux vaut travailler avec des protons beaucoup plus nombreux, pour obtenir des mesures plus simples à séparer du bruit. Ensuite dans la suite du protocole, si les résultats sont concluants on a prévu une mesure avec les antiprotons. Mais le protocole principal reste avec les protons pour être plus certain de sa faisabilité.

Les vidéos sont à placer sur Youtube ou Viméo pour les partager avec les évaluateurs des dossiers. Il est préférable de définir la vidéo comme non référencée, pour éviter de la retrouver sur les moteurs de recherche. Attention, même non référencée, le programme Content ID de Youtube vérifie si les élèves ont utilisé des musiques libres de droits ou non. Les droits d’auteur commerciaux sont vérifiés automatiquement par ce programme et si les élèves ont utilisé une musique non libre, vous recevrez probablement une notification, vous indiquant la marche à suivre pour régulariser la situation. Le plus souvent les sociétés de droits musicaux acceptent l’utilisation d’extraits du morceau (hors usages commerciaux) mais s’octroient le droit de placer des publicités sur votre production, en échange.