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La Physique des Particules Élémentaires Une invitation au voyage...

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Présentation au sujet: "La Physique des Particules Élémentaires Une invitation au voyage..."— Transcription de la présentation:

1 La Physique des Particules Élémentaires Une invitation au voyage...

2 « What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. » Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter

3 Plan En guise dintroduction: la quête du fondamental Des réponses pour des questions simples: –De « quoi » le monde est-il fait ? –Comment tout cela « tient »-il ensemble ? A quoi cela « sert »-il ? Et demain ? Les mystères non résolus…

4 La quête du fondamental Depuis la nuit des temps, lhomme a cherché à appréhender les briques « fondamentales » de son univers Fondamental = « simple », sans « structure » « On connaît la couleur, On connaît la douceur, On connaît l'acidité, Mais en réalité il y a des atomes et du vide. » Démocrite (400 avant J.-C.)

5 La quête du fondamental 19ème siècle: latome 1911: latome a une structure interne, il est composé dun noyau, délectrons et … de vide! 1930: le noyau est lui-même composé de protons et de neutrons 1969: le proton, le neutron et beaucoup dautres particules sont composés de quarks Aujourdhui: la quête continue!

6 Des réponses pour des questions simples… Depuis le début des années 70, les physiciens des particules ont synthétisé toutes leurs connaissances au sein dun modèle unique: le « Modèle Standard »

7 De « quoi » le monde est-il fait ? De quarks –Les quarks sont les constituants élémentaires (sans structure interne connue) des protons, des neutrons et de centaines dautres particules –Ils portent une charge électrique fractionnaire –On en connaît à lheure actuelle 6 « saveurs » différentes –Chacun peut exister en trois « couleurs »: rouge, vert ou bleu –Ils ne sobservent jamais seuls, ils se regroupent en particules « blanches » nommées hadrons. On distingue les « baryons » (3 quarks) et les « mésons » (quark+antiquark)

8 De « quoi » le monde est-il fait ? De leptons –Il existe 6 leptons différents: lélectron et ses deux jumeaux (le muon et le tau) ainsi que 3 neutrinos –Ces particules portent des charges entières et nont pas de « couleur » –Les neutrinos sont des particules « fantômes » qui interagissent très peu et qui ont une masse probablement très faible

9 Aparté: lénergie en physique des particules Lunité dénergie utilisée par les physiciens de particules est « lélectron-volt »: 1 eV = 1,6 £ J 100 TeV = 100 £ eV = Énergie dépensée par un moustique pour sélever de 1m! E=mc 2, on exprime donc la masse des particules élémentaires en E/c 2, soit en keV/c 2, en MeV/c 2 et en GeV/c 2 Masse dun neutrino (' 0.1 eV) par rapport à la masse du quark top (' 180 GeV), masse dun grain de pollen par rapport à la masse dun porte-avions!

10 De « quoi » le monde est-il fait ? De matière… et dantimatière! –Chaque particule de matière possède un double de même masse mais de charge opposée: cest lantimatière –Lorsquune particule rencontre son antiparticule, elles sannihilent en pure énergie –De cette énergie peuvent à nouveau émerger dautres particules grâce à la célèbre loi E=mc 2

11 Comment tout cela « tient »-il ensemble ? Les bosons intermédiaires –Contrairement aux fermions de la matière (spin ½), les bosons sont des particules de spin 1 –Un boson intermédiaire est une particule à part entière associée à une des trois interactions fondamentales. On dit que les particules se les « échangent » pour interagir.

12 Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules La quantité de mouvement dun objet est définie comme le produit de sa masse par sa vitesse : Lorsquune force sapplique à cet objet, sa quantité de mouvement varie Si aucune force extérieure ne sapplique, la quantité de mouvement totale est conservée Pour le système homme+bateau, on a Lors de la désintégration dune particule au repos en 2 autres particules, ces dernières doivent donc porter des impulsions de sens opposé

13 Les physiciens utilisent souvent des « diagrammes de Feynman » pour symboliser léchange dun boson intermédiaire entre deux particules élémentaires Ce boson « transporte » une certaine quantité de mouvement dune particule à lautre (ainsi quune certaine quantité dénergie cinétique ½(mv 2 )=p 2 /(2m) ) Les quantités de mouvement sexpriment en keV/c, en MeV/c et en GeV/c Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules

14 Linteraction électromagnétique –Théorie unifiée de lélectricité (e.g. des charges opposées sattirent) et du magnétisme (e.g. une boussole indique le nord) –Le messager de linteraction électromagnétique est le photon, composant fondamental de lumière de masse nulle –Seules les particules chargées sont sensibles à cette interaction, sa portée est infinie Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

15 Linteraction faible –Responsable, entre autres, de la désintégration du neutron. Cest, comparativement, la plus faible des interactions en physique des particules –Les médiateurs de linteraction faible sont les bosons Z 0, W + et W -, ces derniers sont, à linverse du photon, très massifs (80-90 GeV)! –La portée de linteraction faible est très limitée (¼ m ! ) Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

16 Linteraction forte –Elle permet aux protons du noyau (de même charge !) de rester « attachés » ensemble –Les médiateurs de linteraction faible sont les gluons de masse nulle –Seules les particules « colorées » comme les quarks et les gluons y sont sensibles Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

17 Linteraction forte –Sa portée est très limitée mais son intensité augmente avec la distance –Quand on tente des séparer un quark et un antiquark, linteraction entre eux devient tellement importante que de leur énergie de liaison peut se transformer en une nouvelle paire quark-antiquark Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

18 A quoi cela « sert »-il ? GPS Relativité Restreinte & Générale, A. Einstein Ondes Radio Electromagnétisme J. C. Maxwell Laser Mécanique Quantique, E. Schrödinger & autres

19 Le boson de Higgs –Dans le Modèle Standard certaines symétries de la théorie interdisent aux bosons intermédiaires dacquérir une masse –Grâce à une « brisure spontanée » de ces symétries, le problème peut être contourné –Pour réaliser cette « brisure spontanée », une particule mystérieuse est nécessaire, cest le boson de Higgs. –Cette particule reste introuvable pour linstant… Et demain ? Les mystères non résolus…

20 Aparté: Quest ce quune « brisure spontanée » dune symétrie Situations symétriques Situations où la symétrie est brisée « explicitement »

21 A partir dun problème symétrique… …on peut obtenir des solutions qui ne possèdent plus la symétrie ! Aparté: Quest ce quune « brisure spontanée » dune symétrie ) )

22 Et demain ? Les mystères non résolus… Pourquoi les particules dune même « famille » comme lélectron, le muon et le tau ont-elles des masses si différentes ? Pourquoi 3 « générations » dans chaque famille ? Pourquoi lunivers est-il essentiellement composé de matière et pas dantimatière Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? Sunifient-elles à très haute énergie ?

23 Et demain ? Les mystères non résolus… Où se situe la gravitation dans ce schéma ? Les théories « au-delà du Modèle Standard » telles que la « supersymmétrie » ou la « théorie des cordes » seront-elles un jour vérifiées ? La quête du fondamental a-t-elle une fin ? … et bien dautres questions qui attendent les générations de physiciens à venir !!!

24 « The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy. » Steven Weinberg


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