 Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Transparents : L. Valery, E. Busato, F. Badaud

De quoi est fait le monde ?  Question qui a occupé (et occupe encore) bien des gens  Visions des grecs anciens (Empédocle)  4 éléments : le feu, la terre, l’air et l’eau  2 forces : l’amour et la haine  Concept d’atome (Démocrite )  Indivisibles et immuables  Petits, élémentaires et pleins, entourés de vide dans lequel ils peuvent se déplacer 2

Révolution scientifique XVII ème XVIII ème siècles  Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée, Pascal, etc.) 3

XIX ème siècle 4  Mendeleïev  Dalton : chaque élément est un atome différent

Structure de l’atome 5 Atome constitué de deux parties : Électrons Noyau ~ m

Le noyau atomique  Le noyau n’est pas insécable  Constitué de protons et de neutrons  Protons et neutrons composés de quarks 6 A Z X ~ m

Structure des nucléons  Protons et neutrons composés de 3 quarks 7 ~ m

La matière à l’échelle subatomique 8 Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires

Interactions fondamentales 9

Qu’est-ce qu’une interaction ? Isaac Newton 10 Vision classique : action instantanée à distance Vision moderne : échange de particules

Interaction électromagnétique  Existe entre des particules qui portent des charges électriques  Exemple : interaction entre électrons  Particule médiatrice de cette interaction : PHOTON 11

Exemple interaction entre 2 e - e-e- e-e- Interaction entre les électrons pas instantanée Une particule est échangée : elle porte l’interaction 12

Interaction forte Quark u Quark u Quark d Assure la cohésion du noyau Particules médiatrices : GLUONS Ces derniers agissent comme de la « colle » 13

Interaction faible  Existe entre toutes les particules  Exemple : désintégration radioactive β  Particules médiatrices : W +, W -, Z 14

Radioactivité β Radioactivité: Phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en dégageant de l' énergie sous forme de rayonnements divers 27 protons 33 neutrons 28 protons 32 neutrons 15 neutron proton + e - + ν

Radioactivité β Médiateur de l’interaction faible : le W e-e- ν uddudd uduudu W-W- 16

Résumé Particules de matière (quarks, électrons, neutrinos)  fermions 17 2 types de particules Particules d’interaction (photon, gluons, W +, W -, Z)  bosons

Fermions Bosons

 Le modèle standard de la physique des particules 19

Le Modèle Standard  Modèle Standard décrit les particules élémentaires et leurs interactions  Elaboré dans les années  Testé expérimentalement avec une grande précision 20 Modèle Standard Symétrie Relativé Quantique

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Et le boson de Higgs ? 22  Masse : quantifie l’inertie d’un corps  Boson de Higgs confère de la masse à certaines particules  Plus l’interaction avec le Higgs est forte, plus la masse est grande  Particule de masse nulle (ex : photon) n’interagit pas avec le boson de Higgs

Conclusions 23  2 types de particules : matière (fermions) et interaction (bosons)  Boson de Higgs responsable de la masse des particules  Théorie actuelle qui décrit tout cela : Modèle standard

Histoire de l’univers 24 Formation grandes structures et nucléosynthèse stellaire Soupe primordiale Formation nucléons Nucléosynthèse primordiale Recombinaison

Matière et énergie noire 25

Quelques questions en suspens 26  Les particules élémentaires sont-elles vraiment élémentaires ?  Y-a-t’il des dimensions supplémentaires ?  Existe-t-il d’autres particules et d’autres interactions ?  Que sont la matière et l’énergie noire ?  …

 BACKUP SLIDES ALWAYS USEFUL !! 27

Des particules comme s’il en pleuvait … Supernovaes : émission de protons (cosmiques) Entrée dans l’atmosphère … le nombre de particules augmente rapidement  gerbe On a trouvé, dans ces gerbes des particules inconnues jusqu’alors. 28

 Un bref historique 29

Un bref historique (1/4)  1898 : Découverte de l’électron (J.J. Thomson) : la première particule  1905 : Explication de l’effet photoélectrique (A. Einstein)  Photon = Quantum de lumière  1919 : Découverte du proton (E. Rutherford)  1921 : Réalisation du fait que l’existence du noyau atomique est liée à l’interaction forte  1923 : Découverte de l’effet Compton  Les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des particules  1928: Equation de Dirac (prédiction de l’existence du positron)  1930 : Prédiction de l’existence du neutrino (E. Fermi, désintégrations )  1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)

Un bref historique (2/4)  : Découvertes du neutron, du muon et du pion.  : Formulation de la théorie quantique de l’électromagnétisme (QED)  1951 : Découverte des particules « étranges » (quark s)  1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan)  1954 : Invention des théories de jauge non-abéliennes (Yang-Mills)  Théorie de l’interaction forte (QCD)  1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu)  1962 : Découverte de neutrino muonique  Plusieurs « familles » de particules aux propriétés comparables

Un bref historique (3/4)  : Découverte de centaines de particules  Réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks  1964 : Découverte de la violation de CP (symétrie matière-antimatière)  1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible (Glashow, Salam, Weinberg) → Les débuts du Modèle Standard  1974 : Découverte de la résonance J/ ψ (quark c)  1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b)  Troisième famille de quarks  1976 : Découverte du lepton  Troisième famille de leptons  1979 : Première trace expérimentale des gluons (PETRA à DESY)

Un bref historique (4/4)  1983 : Découverte des bosons W et du Z au CERN  : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN grâce au LEP (collisionneur e + e - ; le LHC utilise le tunnel du LEP)  Trois familles de neutrinos légers, prédiction de la masse du quark top…  1989 : Premières discussions sur la construction du LHC  1995 : Découverte du quark top à Fermilab  1998 : Découverte des oscillations de neutrinos à Super-Kamiokande  Les neutrinos ont une masse non nulle  2000 : Découverte du neutrino tauique par l’expérience DONUT (Fermilab)  2007 : Premières prises de données avec le LHC

Attitude scientifique Attitude qui consiste à baser ses croyances sur des faits établis plutôt que sur des désirs, des traditions et des préjugés (Russell) 34

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