Physique de particules élémentaires et d’Astroparticule Jürgen Brunner CPPM / Luminy.

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1 Physique de particules élémentaires et d’Astroparticule Jürgen Brunner CPPM / Luminy

2 CPPM Centre de physique des particules de Marseille Le laboratoire est une unité mixte de recherche qui relève à la fois du CNRS/IN2P3 et de l’université de la Méditerranée http://marwww.in2p3.fr

3 CPPM profile physique LHC (CERN/Genève) : Atlas & LHCb –Collisionneur proton-proton –en cours de démarrage Tevatron (Fermilab, Chicago) : D0 –Collisionneur proton-antiproton –Pris de données HERA (Hamburg) : H1 –Collisionneur proton-électron –Analyse de données (fin d’opération 2007) Antares (Porquerolles) –Télescope à neutrino –En cours de démarrage SNAP (Espace) –Observation de supernovae pour la cosmologie Imxgam (Marseille) –CT & PET pour la recherche biomédicale (souri)

4 Physique de particules élémentaires 12 heures Dévoilement de la structure de la matière Description des forces fondamentales Recherche d’un approche unifié pour décrire la nature Utilise surtout des accélérateurs de particules Cours 2006 http://marwww.in2p3.fr/~kajfasz/egim/cours.html

5 Astrophysique des Particules Physique des Particules Astrophysique Cosmologie Astronomie Physique Physique d’Astroparticule 12 heures http://marwww.in2p3.fr/~brunner/EGIM/2006/

6 Physiques des Astroparticules: l’origine et la structure de l’univers ? Big Bang Aujourd’hui Il y a 15 milliard d’ans Qu’est-ce c’est la structure actuel ? Qu’est-ce c’est passé pendant les premiers minutes? Comment il a formé la structure de l’univers? evolution

7 Plan de cours (24 h) 14/12/07 (ven)2h 13:30 – 15:30224 17/12/07 (lun) 2h08:00 – 10:00232/234 09/01/08 (mer)2h08:00 – 10:00224 16/01/08 (mer)4h 08:00 – 12:15 24/01/08 (jeu)4h 08:00 – 12:15 01/02/08 (ven)4h 13:30 – 17:45 22/02/08 (ven)2h08:00 – 10:00 29/02/08 (ven)4h08:00 – 12:15 Mickael.philit@ec-marseille.fr

8 Concept d’élément/particule Des éléments chimiques au particules élémentaires Échelles : –Longueur d’onde –taille –Énergie –Mass

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10 Si – Ge dans microscope électronique Atom 0.01-0.03 nm Noyau 10 -15 m + Electron < 10 -18 m

11 Particules élémentaires 1932 Protoncharge +mass1 Neutroncharge 0mass 1 Electroncharge -mass 1/1836 –Mass atomique : –Position dans le table périodique

12 Relations avec système SI m(proton) = 1.672 10 -27 kg = 938.3 MeV/c 2 m(neutron) = 1.674 10 -27 kg = 939.6 MeV/c 2 m(electron) = 9.109 10 -31 kg = 0.511 MeV/c 2 q(proton) = q(electron) =1.602 10 -19 As 1 eV = 1.602 10 -19 VAs (=Ws = J) 1/m(proton) = 6 10 23 1/g (Avogadro !) –1 mol : nombre des protons dans 1 g du H –1 mol : nombre des noyaux de N nucléons dans N g de X

13 Relations avec système SI m(proton) = 1.672 10 -27 kg = 938.3 MeV/c 2 m(neutron) = 1.674 10 -27 kg = 939.6 MeV/c 2 m(electron) = 9.109 10 -31 kg = 0.511 MeV/c 2 q(proton) = q(electron) =1.602 10 -19 As 1 eV = 1.602 10 -19 VAs (=Ws = J) 1/m(proton) = 6 10 23 1/g (Avogadro !) –1 mol : nombre des protons dans 1 g du H –1 mol : nombre des noyaux de N nucléons dans N g de X

14 Invariance d’échelle Pourquoi tous les atomes ont ~ la même taille ? Échelle atomique: –Couches d’électrons supplémentaires compensé par force électro-magnétique supérieurs –Plus gros : Cs –Plus petit: He

15 Invariance d’échelle Pourquoi tous les noyaux ont ~ la même taille ? Échelle noyau –Taille ~ –Uranium N ~ 300  facteur 7 par rapport de H

16 Structure interne proton & neutron Moment magnétique composition –Proton+2.7928493(51)(u u d) –Neutron-1.913042(7)(u d d) –Électron1.00115965218(59)(*) –Muon1.001165920(8)(*) (*) consistent avec théorie quantique

17 Relativité restreint

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19 Proprietes des transformation Galilean Temps t universel Distance invariant pour transformation Additions des vitesses

20 Invariance des lois de physique Pour F invariant sur transformation Galiléen loi est aussi invariant

21 Équation de Maxwell Ondes électron magnétiques E=(E x,0,0) Vitesse de propagation : c Conservation de charge

22 Équation de Maxwell Ondes électron magnétiques E=(E x,0,0) Vitesse de propagation : c Conservation de charge

23 Conflit Équation de Maxwell ne sont pas invariant sur transformation Galiléen –Hypothèse: Équation de Maxwell ne sont correct que dans une système spécial –Défini par l’éther dans lequel propage les ondes électromagnétique –Problème: mesure la vitesse de la terre par rapport d’éther

24 Systeme de reste absolu Astrophysique –Rotation de la terre autour de soi-même –Rotation de la terre autour du soleil –Rotation du soleil autour du centre de notre galaxie –Mouvement de notre galaxie dans l’amas des galaxies –Mouvement de amas … –….

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27 L (cm) Observation Calculation Ratio Michelson, 1881 120.04.02 2 Michelson & Morley 18871100.40.01 40 Morley & Miller, 1902-04 3220 1.13.015 80 Illingworth, 1927 200.07.0004 175 Joos,1930 2100.75.002 375 Shankland, et al., Rev. Mod. Phys. 27, 167 (1955) Resultats

28 Nouvelle concept Modifier transformation Galiléen pour rendre invariant les équations de Maxwell et les équation de Newton (Einstein 1905) Hypothèse: la vitesse de la lumière dans le vacuum est constant

29 Transformation de Lorentz

30 Contraction de longueur Equivalent dans le 2 senses

31 Dilatation du temps -

32 Additions des vitesses a=-b=0.9c on obtient u=0.994475

33 Additions des vitesses a=-b=0.9c on obtient u=0.994475

34 La norme avec le transformation de Lorentz 4-vecteurs espace/temps invariant ! Mais peut être négative 0 : lumiere - : non-causal + : causal

35 La norme avec le transformation de Lorentz 4-vecteurs energy/momentum invariant ! non negative Energy ~ mass EbEb Loi de Newton:

36 Lorentz transformation 4-vecteur Espace/temps Energy/momentum

37 Lorentz transformation 4-vecteur Souvent outile la transformation du systeme ‘reste’ Souvent on utilise pour

38 Particules sans masse 4-vecteur invariant zéro Lorentz boost infini Vitesse toujours c dans tous les systèmes ses coordonnées Exemple : photon

39 Description covariant We define the covariant vector in terms of the components of its cousin, the contravariant vector The dot product of two four vectors a and b is defined to be: By explicit calculation, we can find that a·b is Lorentz invariant, i.e., a'·b'=a·b

40 Somme des 4-vecteurs energie/impulsion

41 Pour

42 Somme des 4-vecteurs energie/impulsion Pour

43 Approximation non-relativiste Taylor expansion pour  =0

44 Approximation non-relativiste Taylor expansion pour  =0

45 Approximation non-relativistic

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47 ß=v/c  1/  0.011.0000500.999949 0.11.0050370.994987 0.51.1547000.866025 0.92.2941570.435889 0.997.0888120.141067 0.99922.366270.044710 Dilatation de tempscontraction d’espace

48 Approximation non-relativistic ß=v/c  1/  0.011.0000500.999949 0.11.0050370.994987 0.51.1547000.866025 0.92.2941570.435889 0.997.0888120.141067 0.99922.366270.044710 Dilatation de tempscontraction d’espace

49 Muons atmospheriques

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56 Radiation d’un corps noire k – constante de Boltzman E ~ kT relation entre energie et temperature dans un gas ideal Loi de Rayleigh - Jeans

57 Formule du Planck – début de la théorie quantique E=h Relation entre énergie et fréquence pour photons h << kT on retrouve la loi classique

58 Corrélations entre quantités physiques Energie eV Momentum eV/c Mass eV/c² Temps ħ/eV Espace ħc/eV Vitesse β=v/c Frequence eV/ħ ħ/x c c c Angular momentum – particle spin!