Nous avons adapté le concept des « Mystery Box » du CERN (Centre Européen de la Recherche Nucléaire) qui permet d’expliquer comment on peut acquérir des connaissances sur des composants élémentaires de la Nature dans des collisions où l’énergie n’est pas suffisante pour les créer réellement dans le laboratoire.

Au CERN on construit, notamment, des accélérateurs de particules permettant de réaliser des collisions entre des objets (protons, électrons, noyaux, …) à des énergies de plus en plus élevées. On espère ainsi produire des particules nouvelles et étudier leurs propriétés. Pour cela il faut que la masse de ces particules soit inférieure à l’énergie de celles qui entrent en collision. Si tel n’est pas le cas, il est cependant encore possible de détecter la présence de ces particules très lourdes et d’étudier certaines de leurs propriétés.

En effet, l’existence même de tels objets affecte le résultat d’autres observations. C’est ainsi que le quark « top », dont la masse vaut près de 200 fois celle d’un proton, a été détecté au CERN, dans des collisions à des énergies quatre fois trop faibles pour qu’il puisse être produit.

Pour cela, on compare les résultats d’une mesure avec un calcul dans lequel on prend en compte tous les objets déjà connus, qui sont susceptibles de participer à la réaction étudiée. Si l’on observe une différence entre les deux résultats on cherche ensuite le « responsable » qui peut expliquer l’écart observé. Pour cela on ajoute un nouvel objet dans les calculs et on ajuste ses caractéristiques afin d’être en accord avec les mesures. Dans le cas du quark « top » c’est assez facile car seule sa masse était inconnue. Plusieurs particules de types différents peuvent également contribuer ce qui rend plus compliquée l’interprétation des résultats. Cette approche est (assez) similaire à celle de Le Verrier lorsqu’il a « découvert » Neptune, par le calcul, en interprétant le déplacement d’Uranus. Il a pu prédire où devait se trouver cette nouvelle planète dans le ciel à une heure précise. De même, les observations du CERN ont établi que ce nouveau quark était très lourd et évalué sa masse à 10% près, un intervalle où il a finalement été observé directement quelques années plus tard.

Dans ces réactions, interviennent des objets « inconnus » et invisibles dans les appareillages, comme s’ils étaient enfermés dans une boîte dont ils ne peuvent jamais sortir.

Notre illustration de ce type de recherche consiste à réaliser effectivement des boîtes circulaires (ou bien d’autres formes) scellées dans lesquelles sont placées des cloisons et contenant une bille en acier dont le diamètre est un peu inférieur à l’épaisseur des boîtes.

Le jeu consiste à trouver l’agencement des cloisons en manipulant les boîtes et en observant la manière dont elles réagissent, en écoutant le bruit de la bille, … Le niveau de difficulté peut être très varié permettant de faire une progression.

Plusieurs notions peuvent être abordées :

  + comment manipuler les boîtes afin d’en tirer des informations utiles ?

  + formuler des hypothèses sur la disposition d’une cloison (cloison d’un seul morceau entre les parois de la boîte, cloison interrompue avant d’atteindre une paroi, cloison ne touchant aucune paroi, deux cloisons formant un angle, …..)

  + pour chaque hypothèse, trouver une manière de la vérifier en bougeant la boîte.

Des boîtes « ouvertes » permettent de s’entrainer. La réalisation des boîtes en partant d’emballages de camemberts ou bien en utilisant des LEGO est indiquée dans les documents joints.

Ce jeu a été couplé avec un jeu d’évasion où les participants doivent trouver l’agencement des cloisons dans quatre boîtes afin d’obtenir un code leur permettant de s’échapper (voir documents joints).

Contact : patrick.roudeau@ijclab.in2p3.fr