 Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY (doctorant dans l’équipe ATLAS du LPC)

« De quoi est fait le monde ? »  Question naturelle qui a occupé (et occupe encore) bien des gens.  Les Grecs anciens croyaient que tout était composé de 4 éléments :  Le feu, la terre, l’air et l’eau  Et était gouverné par 2 forces fondamentales : l’amour et la haine. (Hempédocle)  Démocrite introduit le concept d’atome comme indivisible et immuable. La matière « ordinaire » peut être décomposée en atomes. Petits,élémentaires et pleins, entourés de vide dans lequel ils peuvent se déplacer. 2

XVII ème XVIII ème siècles  Boyle : une théorie scientifique moderne repose sur l’expérience.  Newton : loi de la gravitation Universelle  Lavoisier : les « composés » (molécules) sont faits de plus d’un élément. 3 Deux masses ponctuelles s’attirent selon une force dirigée le long de la ligne les reliant. Elle est proportionnelle au produit des 2 masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les séparent.

XIX ème 4  Mendeleïev  Dalton : chaque élément est un atome différent.  Maxwell : lois de l’électromagnétisme

fin XIX ème : structure de l’atome 5  Atome : noyau avec charge positive et électrons)  Thomson (gros noyau avec électrons a l’interieur – plum pudding)  L’atome de Rutherford est ‘vide’ (petit noyau et électrons autour) Font de radiació Detector Làmina d’or Trajectòria dels feixos Feix de partícules

A la fin du XIX ème siècle Le rayonnement: gouverné par les lois de l’électromagnétisme. 6 La Matière : faite de corpuscules parfaitement localisables dont le mouvement peut être décrit par la mécanique classique. Tous les phénomènes trouvaient leur explication dans la physique classique Mais ….

Spectres atomiques 7  1860 Bunsen et Kirchhoff quand on chauffe les éléments chimiques ils émettent un spectre discret (non continu) de lumière caractéristique Bohr explique ces spectres par la quantification des orbites électroniques

Structure de l’atome 8  1913 Bohr explique ces spectres à partir de la quantification des orbites électroniques Besoin de mécanique quantique

Examinons le noyau atomique  Le noyau n’est pas insécable  Constitué de protons et de neutrons  Des observations nous ont amené à penser que les protons et neutrons étaient eux-mêmes constitués d’autres particules plus élémentaires.  On parle de quarks. 9

Descendons au cœur de la matière 10 Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires

 Revenons sur les interactions 11

Interrogation surprise !  Quelles sont les interactions fondamentales ? 12

Interrogation surprise !  Quelles sont les interactions fondamentales ? 13

Evolution des interactions Isaac Newton ( ) 14 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 15

Exemple interaction entre 2 e - e-e- e-e- Interaction entre les électrons pas instantanée Une particule est échangée : elle porte l’interaction 16 e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e-

Interaction forte Quark u Quark u Quark d Assure la cohésion du noyau Le proton est constitué de trois quarks (u,u,d) Les médiateurs sont les gluons. Ces derniers agissent comme de la « colle ». 17

Interaction faible  Existe entre toutes les particules.  Exemple : désintégration radioactive β.  Particules qui portent cette interaction : W +, W -, Z 18

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 19 neutron proton + e - + ν Le neutrino ν Est nécessaire pour exprimer la distribution en énergie de l’électron

Radioactivité β médiateur de l’interaction faible : le W e-e- ν uddudd uduudu W-W- 20

Résumé Si le monde qui nous entoure est un mur, il est constitué : des briques (quarks, électrons, neutrinos)  fermions de ciment qui maintient ces dernières liées.  bosons 21

Récapitulatif 22 Les quarks Les leptons Matière stable Matière instable Les fermionsLes bosons

 Les interactions entre les particules sont décrites au sein du modèle standard 23

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Le Modèle Standard  Le Modèle Standard est un modèle qui décrit à la fois les particules élémentaires et leurs interactions.  Pour vérifier que ce Modèle est valide, on construit des expériences, et notamment des accélérateurs et collisionneurs de particules.  A l’heure actuelle, l’accord entre le Modèle Standard et les mesures est excellent. 25

Et le boson de Higgs ? 26  Masse : caractéristique d’un corps à résister aux accélérations  Plus un corps est massif plus il est difficile de le mettre en mouvement  2 types de particules:  Une particule de masse nulle voyage à la vitesse de la lumière :  Ex : le photon  Une particule massive voyage à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière  Qu’est ce qui ralenti cette particule?  Interaction avec un autre type de particule:  Le boson de Higgs

Conclusions 27

Conclusions 28  Particules de matières: fermions  électron, muon, tau, neutrino, quarks,…  Et leurs antiparticules  Particules d’interactions: bosons  Photon: interaction électromagnétique  Boson Z/W: interaction faible  Gluon: interaction forte  Le boson de Higgs est la particule qui permettrait d’expliquer la masse des particules.  Le Modèle Standard est le cadre théorique qui permet de décrire les particules et leurs interactions

 BACKUP SLIDES ALWAYS USEFUL !! 29

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. 30

 Un bref historique 31

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

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