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Noyaux et Particules S. Ong (UPJV et IPN Orsay) Chapitre 1 Bref historique et Caractéristiques générales du Noyau ( Les photos illustrées dans ce chapitre.

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1 Noyaux et Particules S. Ong (UPJV et IPN Orsay) Chapitre 1 Bref historique et Caractéristiques générales du Noyau ( Les photos illustrées dans ce chapitre sont extraites de la Photothèque de lIN2P3/CNRS)

2 A. Bref historique Depuis les expériences de collision de Rutherford (1911), la structure de latome est bien comprise. Depuis les expériences de collision de Rutherford (1911), la structure de latome est bien comprise. Latome est composé dun noyau dont le diamètre est de lordre de fermi (1F=10^-13 cm) entouré délectrons. Le diamètre de latome est de lordre de 10^-8 cm. Le noyau est constitué de nucléons qui sont des neutrons (particule neutre, Chadwick 1932) et des protons (particule chargée positivement). Latome est composé dun noyau dont le diamètre est de lordre de fermi (1F=10^-13 cm) entouré délectrons. Le diamètre de latome est de lordre de 10^-8 cm. Le noyau est constitué de nucléons qui sont des neutrons (particule neutre, Chadwick 1932) et des protons (particule chargée positivement). La Physique nucléaire proprement dite, appelée La Physique nucléaire proprement dite, appelée également physique de basse énergie, traite la structure du noyau et les forces nucléaires. également physique de basse énergie, traite la structure du noyau et les forces nucléaires. La Physique des hautes énergies ou physique des particules élémentaires étudie les structures des particules et leurs interactions. La Physique des hautes énergies ou physique des particules élémentaires étudie les structures des particules et leurs interactions.

3 On peut caractériser un noyau par le nombre de masse A (nombre de nucléons) et de son numéro atomique Z (nombre de protons), le nombre de neutrons N=A-Z. On peut caractériser un noyau par le nombre de masse A (nombre de nucléons) et de son numéro atomique Z (nombre de protons), le nombre de neutrons N=A-Z. En admettant la forme sphérique du noyau, son rayon peut sécrire sous la forme R=r A^(1/3) où r =1,3 F est le rayon dun nucléon. En admettant la forme sphérique du noyau, son rayon peut sécrire sous la forme R=r A^(1/3) où r =1,3 F est le rayon dun nucléon. Avec la célèbre relation dEinstein E=mc^2, Avec la célèbre relation dEinstein E=mc^2, on peut exprimer les masses des particules en unité dénergie : on peut exprimer les masses des particules en unité dénergie : masse de lélectron=0,511 MeV/c2 masse de lélectron=0,511 MeV/c2 masse du proton =938,28 MeV/c2 masse du proton =938,28 MeV/c2 masse du neutron =939,57 MeV/c2 masse du neutron =939,57 MeV/c2 1 MeV= 10^6 eV et 1eV=1,6 10^-19 Joules 1 MeV= 10^6 eV et 1eV=1,6 10^-19 Joules

4 Les différents ordres de grandeur. Du microscope électronique aux accélérateurs de particules

5 B. Sonder la structure intime de la matière Pour localiser un objet aussi petit que le noyau,on réalise des collisions entre les particules projectiles et les noyaux cibles en exploitant laspect ondulatoire des particules. Pour localiser un objet aussi petit que le noyau,on réalise des collisions entre les particules projectiles et les noyaux cibles en exploitant laspect ondulatoire des particules. En effet, la relation de De Broglie dans le cadre de la mécanique quantique, permet de relier limpulsion de la particule à la longeur donde de matière associée: En effet, la relation de De Broglie dans le cadre de la mécanique quantique, permet de relier limpulsion de la particule à la longeur donde de matière associée:

6 Par analogie avec les phénomènes de diffraction en Optique, On doit disposer daccélérateurs de particules de plus en plus puissants pour sonder des particules cibles de plus en plus petites. On doit disposer daccélérateurs de particules de plus en plus puissants pour sonder des particules cibles de plus en plus petites. Énergie dun électron longueur donde 1 electronV(eV) 1 kiloeV (keV) 1 gigaeV (GeV) 1,2 nanomètre 1,2 nanomètre 39 picomètres 1,2 femtomètre

7 Système détiquetage du faisceau de photons à GRAAL (ESRF à Grenoble)

8 Expérience A4 de violation de la Parité à Mayence en Allemagne (photo propre de la collaboration A4) Expérience A4 de violation de la Parité à Mayence en Allemagne (photo propre de la collaboration A4)

9 Détecteur CMS pour le LHC au CERN

10 Evènements observés avec le détecteur DELPHI du LEP au CERN

11 Le moment cinétique intrinsèque (spin I) du noyau est une quantité importante pour les propriétés dynamiques du noyau. Les neutrons et les protons sont des particules de spin ½ comme les électrons. Les neutrons et les protons sont des particules de spin ½ comme les électrons. Expérimentalement, on observe que les noyaux complexes ont des moments cinétiques entiers ou demi-entiers (addition des moments cinétiques). Par exemple pour les noyaux pair-pair, J=0 et la parité est positive. Expérimentalement, on observe que les noyaux complexes ont des moments cinétiques entiers ou demi-entiers (addition des moments cinétiques). Par exemple pour les noyaux pair-pair, J=0 et la parité est positive. Dans certains cas, on peut déterminer le moment cinétique du noyau à partir des spectres atomiques ou moléculaires. Dans certains cas, on peut déterminer le moment cinétique du noyau à partir des spectres atomiques ou moléculaires. En général, cest la Loi de conservation du moment cinétique total qui permet la détermination de I. En général, cest la Loi de conservation du moment cinétique total qui permet la détermination de I.

12 Peut-on mesurer les masses aussi petites ? On peut comprendre que cest une mesure indirecte. Létude des masses atomiques est liée au développement de la physique nucléaire. Les spectrographes et spectromètres de masse sont des exemples dappareils utilisés pour ces mesures. L étude des réactions nucléaires et des désintégrations est aussi un moyen utilisée pour déterminer ces masses. Les résultats compatibles des différentes voies démontrent léquivalence masse-énergie dEinstein. Létude des masses atomiques est liée au développement de la physique nucléaire. Les spectrographes et spectromètres de masse sont des exemples dappareils utilisés pour ces mesures. L étude des réactions nucléaires et des désintégrations est aussi un moyen utilisée pour déterminer ces masses. Les résultats compatibles des différentes voies démontrent léquivalence masse-énergie dEinstein. En physique des hautes énergies, on reconstruit par exemple, la masse invariante dune résonance à partir de ses produits de désintégration, doù lutilisation des détecteurs de plus en plus sophistiqués. En physique des hautes énergies, on reconstruit par exemple, la masse invariante dune résonance à partir de ses produits de désintégration, doù lutilisation des détecteurs de plus en plus sophistiqués. En guise de conclusion de ce chapitre, nous mentionnons le problème lié à lorigine de la masse des particules. En guise de conclusion de ce chapitre, nous mentionnons le problème lié à lorigine de la masse des particules. Même dans le modèle standard, les masses des quarks constituants élémentaires, apparaissent comme des paramètres libres. Même dans le modèle standard, les masses des quarks constituants élémentaires, apparaissent comme des paramètres libres. La recherche expérimentale actuelle, avec le futur accélérateur LHC du CERN, est orientée vers la recherche du boson de Higgs dont linteraction avec les fermions génère la masse de ces fermions. La recherche expérimentale actuelle, avec le futur accélérateur LHC du CERN, est orientée vers la recherche du boson de Higgs dont linteraction avec les fermions génère la masse de ces fermions.


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