La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce que le CERN? Quest-ce que la physique des particules?

Présentations similaires


Présentation au sujet: "POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce que le CERN? Quest-ce que la physique des particules?"— Transcription de la présentation:

1 POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce que le CERN? Quest-ce que la physique des particules? La structure de la matière. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? –Extraction –expériences de diffusion –classifications

2 POURQUOI LE CERN? Contenu (suite): Matin(suite): Les interactions fondamentales. –Caractéristiques –le mécanisme déchange –QED –QCD –particules virtuelles Le modèle standard Le boson de Higgs Au-delà du modèle standard Implications cosmologiques

3 POURQUOI LE CERN? Contenu (suite): Après-midi: Résumé du cours du matin. Les outils de la physique des particules: –Pourquoi de hautes énergies? –Comment les obtenir? –Les accélérateurs. –Comment détecter des particules? –Quelques types de détecteurs. Déroulement dune expérience. Conclusions

4 Quest-ce que le CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire 29 septembre 1954 Physique des particules Actuellement: 20 états membres

5 Quest-ce que la physique des particules? Etude des constituants les plus ténus de la matière et de leurs interactions VI ème et V ème siècle av. J.C. Thalès et Anaximène V ème siècle av. J.C. Leucippe et Démocrite atomes: XIX ème siècle J. Dalton: théorie atomique D.I. Mendeleïev: tableau périodique

6 Noyaux et électrons: début du XX ème siècle: Becquerel: radioactivité (1896) Thomson: électron (1897) Rutherford: noyau (1909) Nucléons: Thomson: proton Chadwick: neutron (1932) Quest-ce que la physique des particules?

7 Particules « élémentaires »: les découvertes se succèdent: ……..plus de 100 particules!!!! Les quarks: Gell-Mann (1964) e+ne+n - + +, - K°, K +, K - ° ° - + -

8 Quest-ce que la physique des particules? La composition de la matière:

9 La structure de la matière La matière ordinaire: Les quarks Unité de masse: 1 GeV/c 2 = 1, kg E = mc 2 Einstein Unité dénergie: 1 GeV = 10 9 eV 1 eV = 1, J Unité de charge: # de fois e (charge élémentaire) e = 1, C neutron q n = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0 proton q p = 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1

10 La structure de la matière La matière ordinaire: Les leptons Implique lémission dune 3 ème particule de très faible masse et de charge nulle: le neutrino. Neutrino: pour rendre compte de la radioactivité # - K(keV) 156 K: énergie cinétique

11 La structure de la matière La matière ordinaire: Les leptons On écrit donc: Le neutrino ne sera observé quen 1956! : antineutrino électronique : positon : antiparticule de lélectron antiparticule: particule de même masse, de charge opposée, de saveur opposée

12 La structure de la matière La matière cosmique ou artificielle: Les quarks et les antiquarks:

13 La structure de la matière La matière cosmique ou artificielle: u s d hypéron ° q = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0 Hadrons BaryonsMésons q q q q Méson + q + = 2/3 - (-1/3)= 1 u

14 La structure de la matière La matière cosmique ou artificielle: Les leptons et les antileptons:

15 La structure de la matière Résumé: Les constituants élémentaires de la matière: + leurs antiparticules

16 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. Par extraction. 2. Par diffusion. 3. Par classification. ?

17 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. Par extraction: la découverte de lélectron (J.J.Thomson ): dans un tube à vide prévu pour étudier les décharges dans les gaz raréfiés. Lénergie était fournie aux électrons en chauffant le filament qui constituait la cathode: rayon cathodique = ? C AA

18 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. La découverte de l électron: rayonnement matériel: arrêté par un écran dévié par un aimant dévié par un champ électrique particules chargées négativement! la mesure des déviations conduit à une estimation de q/m

19 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. La découverte de lélectron: q / m très grand: grande charge ou masse très petite? expérience de la goutte dhuile (Millikan): e = 1, C q e = -e m e = m H / 2000!!!! Lélectron est une toute petite partie de latome!

20 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. Les expériences modernes: particules cible accélérées détecteur les quarks sont liés dans les hadrons; ils nont jamais été observés à létat libre!

21 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: principe cible diffuse cible ponctuelle On peut tirer des conclusions sur la forme dun en regardant comment des projectiles sont déviés:

22 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: principe

23 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de latome Rutherford, Geiger et Marsden (1909)

24 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de latome

25 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de latome

26 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure du proton Diffusion des électrons: années 50-60: Le proton a une certaine étendue dans lespace en 1970, à plus haute énergie (20 Gev): Dans le proton, il y a des grains durs! p e-e- e-e- p e-e- e-e- e-e- e-e- p

27 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par classification: exemple: classement de 10 particules de propriétés voisines, notamment leur masse: Q S Q: charge électriqueS: étrangeté Diagramme (M.Gell-Mann et Y. Neeman, 1963) S=-3 S=-2 Q=0 S=-1 S=0 Q=+1 Q=-1 Q=+2

28 Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par classification: Les symétries observées sont dues aux quarks qui constituent ces particules: (dss) (sss) (ddd)(ddu)(duu)(uuu) (uss) (dds)(uus)(dus)

29 Les interactions fondamentales 1. Quelles sont les interactions fondamentales? Linteraction gravitationnelle: toujours attractive agit sur toute forme dénergie (ou de matière) intensité extrêmement faible ( ) théories: mécanique (Newton ) relativité générale (Einstein )

30 Les interactions fondamentales 1. Quelles sont les interactions fondamentales? Linteraction électromagnétique: attractive ou répulsive agit sur les particules porteuses dune charge électrique (+ ou -) intensité très importante (10 -2 ) théories: électromagnétisme (Maxwell -1860) nature quantique (Einstein ) QED: quantique et relativiste (Tomonoga, Schwinger, Feynman )......

31 Les interactions fondamentales 1. Quelles sont les interactions fondamentales? Linteraction forte: attractive ou répulsive agit sur les quarks et les hadrons, pas sur les leptons. intensité la plus importante (1) théories: noyau atomique (Rutherford -1911) QCD: chromodynamique quantique. noyau soleil

32 Les interactions fondamentales 1. Quelles sont les interactions fondamentales? Linteraction faible: agit sur toutes les particules; cest la seule force qui agit sur les neutrinos. intensité faible (10 -5 ) théories: interaction faible (E. Fermi ) théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam ).

33 Les interactions fondamentales 2. Le mécanisme déchange: Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de rayonnement. La portée de linteraction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente.

34 Les interactions fondamentales 3. La théorie QED: Lélectrodynamique quantique rend compte de linteraction électromagnétique par léchange de photons. Exemple: portée infinie QED est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!! échange dun photon

35 Les interactions fondamentales 4. La théorie electrofaible: Interactions électromagnétiques (médiateur: photon) unifie: + Interactions faibles (médiateurs: bosons Z 0, W + et W - ) Exemples: p n échange dun boson W - courant chargé

36 Les interactions fondamentales 4. La théorie electrofaible: Etapes importantes: courants neutres observés - CERN bosons Z 0, W + et W - observés - CERN vérifiée avec une grande précision notamment par les expériences du LEP (3 prix Nobel!) n n échange dun boson Z° courant neutre

37 Les interactions fondamentales 5. La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de linteraction forte sont les gluons; il y en a 8. La force forte nagit que sur les particules ayant une charge de « couleur ».

38 Les interactions fondamentales 5. La théorie QCD: Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de linteraction forte.

39 Les interactions fondamentales 5. La théorie QCD: Trois quarks de couleurs différentes sattirent. Les trois quarks des baryons sont donc de couleurs différentes et les baryons sont blancs. Le quark et lantiquark dun méson portent la couleur et lanticouleur correspondantes; ils sont donc eux aussi blancs. baryons mésons

40 Les interactions fondamentales 5. La théorie QCD: Lors de léchange dun gluon, deux quarks de charges de couleur différentes échangent leur couleur:

41 Les interactions fondamentales 5. La théorie QCD: Comportements bizarres de linteraction forte: mais force de très courte portée: m (parce que les gluons interagissent entre eux) liberté asymptotique: très proches les quarks ninteragissent plus, plus ils sont éloignés, plus leur interaction est forteconfinement: les quarks nexistent pas à létat libre. La force forte ressemble à un élastique Si on tire trop fort sur lélastique, il « casse » et une paire quark-antiquark sort du vide; chacun dentre eux sapparie à lun des quarks initials.

42 Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Le principe dincertitude dHeisenberg: (1927) x: position p: quantité de mouvement (h: constante de Planck) E: énergie t: temps Donc, pendant un temps très court, lincertitude sur lénergie peut être très grande!

43 Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Energie conservée Energie non conservée pendant un temps très court

44 Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Exemples:

45 Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Exemples:

46 Le modèle standard (SM) englobe tous les phénomènes naturels, sauf la gravitation théorie à la fois quantique et relativiste Théorie électrofaible + QCD + modèle des quarks

47 Le modèle standard (SM)

48 Le modèle standard est très bien vérifié, notamment par les expériences qui se sont déroulées au LEP. Ces expériences ont notamment permis de montrer quil nexistait pas de 4 ème famille de particules qui serait encore à découvrir.

49 Le boson de Higgs Ou le mystère de la masse: Dans le modèle standard, un mécanisme est introduit, appelé mécanisme de Higgs (Higgs, Brout et Englert), pour rendre compte des masses des particules. Ce mécanisme implique lexistence dune particule supplémentaire: le boson de Higgs, à laquelle est associée un champ, le champ de Higgs. le champ de Higgs une particule le traverse:

50 Le boson de Higgs Ou le mystère de la masse: rumeur: boson de Higgs: encore à découvrir! la particule acquiert sa masse

51 Au-delà du modèle standard Le SM nest pas la théorie ultime: nenglobe pas la gravitation pourquoi 3 familles de fermions? ne prédit pas leur masse nunifie pas toutes les forces Les théories de grande unification (GUT):

52 Au-delà du modèle standard La Supersymétrie: quarksquark leptonslepton Particules supersymétriques pas encore observées!

53 Les implications cosmologiques Lunivers est en expansion: Hubble (1929): les galaxies se fuient L énergie diminue: lunivers se refroidit s après le big-bang: E~200Gev, comme auprès des accélérateurs actuels

54 Les implications cosmologiques Lhistoire de lunivers en bref: t 0 : moment du big-bang t s:1000 GeV avec très légèrement plus de matière un peu plus tard: il ny a plus assez dénergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks g g g

55 Les implications cosmologiques Lhistoire de lunivers en bref: t s:1 GeV Les nucléons se forment sous leffet de la force forte. t s:100 eV ou 1 milliard de degrés nucléosynthèse deutérium hélium np

56 Les implications cosmologiques Lhistoire de lunivers en bref: t minutes: t ans:3000 degrés Les atomes les plus simples se forment sous leffet de la force é.m p e-e-

57 Les implications cosmologiques Lhistoire de lunivers en bref: puis, plus tard: les agglomérats de matière sous leffet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….planètes, ….la vie! ADN


Télécharger ppt "POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce que le CERN? Quest-ce que la physique des particules?"

Présentations similaires


Annonces Google