 Des particules et des 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) pour la Masterclass du 19/03/2012

Contenu  Des particules …  … des interactions …  … et un modèle ! 2

 Des particules … Plongeons-nous au cœur de la matière ! 3

La mati è re  Les Grecs anciens croyaient que tout etait compose de 4 elements :  Le feu, la terre, l’air et l’eau  Democrite introduit le concept d’atome comme indivisible et immuable. La matière « ordinaire » peut être décomposée en atomes 4

Un peu de chimie …  Au XVIIe siecle, naissance de la chimie moderne avec la definition de l’element chimique ( Robert Boyle ) 5

Un peu plus de chimie …  XVIII-XIXe siecles  Proust : Proportions constantes (eau toujours 88.81% O2 et 11.19% H)  Dalton : chaque element est un atome different  Dans l’eau il y a des atomes d'hydrogène et d'oxygène.  Atomes classés selon leurs propriétés (classification périodique des éléments) 6

Table periodique Mendeleyev

Structure de l’atome 8  XIXe siècle (noyau avec charge positive et electrons)  Thomson (gros noyau avec electrons a l’interieur – plum pudding)  L’atome de Rutherford est ‘vide’ (petit noyau et electrons autour) Font de radiació Detector Làmina d’or Trajectòria dels feixos Feix de partícules

Structure de l’atome 9  1860 Bunsen et Kirchhoff quand on chauffe les elements chimiques ils emettent un spectre de lumière caracteristique

Estructure de l’atom 10  1913 Bohr explique ces spectres a partir de la quantification des orbites electroniques  1925 Mécanique quantique  Eq. Schrodinger décrit l’atome d’H Òrbites d’energia creixent Emissió de llum

Chimie et physique Atome constitué de deux parties : électrons et noyaux  La chimie étudie les interactions entre les atomes La physique s’attache à l’étude du noyau de l’atome. Par exemple, la radioactivité. 11

L’Atome  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. 12

Structure de l’atome 13

Résumé La physique des particules a pour but  De recenser les particules élémentaires, et de réaliser un classement, de la même façon que la CPE  D’étudier comment ces particules interagissent entre elles 14

 … des Interactions … Vers la compréhension de l’infiniment petit 15

Evolution des pensées sur les interactions Isaac Newton ( ) Vision classique 16

Evolution des pensées sur les interactions Vision moderne Albert Einstein 1979 /

Qu’est-ce qu’une interaction?  Exemple : interaction entre deux électrons e-e- e-e- Interaction entre les électrons pas instantanée Une particule est échangée : elle porte l’interaction 18

Interrogation surprise !  Quelles sont les interactions fondamentales ? 19

Interaction électromagnétique  Existe entre des particules qui portent des charges électriques.  Exemple : interaction entre électrons  Particule qui porte cette interaction : PHOTON 20

Interaction forte  Existe entre les quarks.  Exemple : cohésion du noyau  Particules qui portent cette interaction : GLUONS q q 21

Interaction forte Quark u Quark u Quark d Exemple : Le proton est constitué de trois quarks (u,u,d) Ces quarks sont maintenus ensemble grâce à des gluons. Ces derniers agissent comme de la « colle ». 22

Interaction faible  Existe entre toutes les particules.  Exemple : désintégration radioactive β.  Particules qui portent cette interaction : W +, W -, Z 23

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. Exemple : Radioactivité β 27 protons 33 neutrons 28 protons 32 neutrons 24

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. Exemple : Radioactivité β e-e- ν 27 protons 33 neutrons 28 protons 32 neutrons Questions : - D’où vient l’électron ? Du noyau ? - A quoi correspond le ν ? 25

Radioactivité β  Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.  Et alors ?  Cela se traduit par une conservation de l’énergie au cours des réactions nucléaires. 26

Radioactivité β  Expérimentalement, on observe que :  Pour conserver l’énergie, on suppose l’existence d’une particule : un neutrino, particule impossible à détecter expérimentalement.  On a donc : Voilà donc ce qu’est le neutrino ! 27

Radioactivité β  Et l’électron ?  On peut expliquer son apparition à l’aide du boson W. e-e- ν uddudd uduudu W-W- 28

Résumé Si le monde qui nous entoure est un mur, il est constitué de deux choses : Des briques (quarks, électrons, neutrinos)  fermions Du ciment qui maintient ces dernières liées.  bosons 29

Résumé 30

 Un bref historique 31

Un bref historique (1/5)  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 )

Un bref historique (2/5)  1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson) Le premiere positron

Un bref historique (3/5)  : 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 (4/5)  : 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 (5/4)  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

 … et un modèle ! Pour les unifier tous … ou presque ! 37

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Le Modèle Standard  Le Modèle Standard est la théorie qui décrit à la fois les particules élémentaires et les interactions.  Comme tous les modèles, il faut s’assurer qu’il décrit bien la nature.  Pour vérifier que ce Modèle est valide, on construit des expériences, et notamment des accélérateurs et collisionneurs de particules.  A l’heure actuelle, le Modèle Standard est parfaitement vérifié expérimentalement. 39

Et le boson de Higgs ?  Dans le Modèle Standard, toutes les particules sont de masse nulle.  Or, on sait expérimentalement qu’elles ont une masse.  Une interaction, portée par le boson de Higgs permettrait d’expliquer la masse des particules.  Avec les données jusqu’a juillet 2012, une nouvelle particule a été découverte. Elle pourrait etre le boson de Higgs (SM?) 40

Conclusions  La physique des particules s’attache à découvrir les rouages élémentaires de la matière : les particules de matière, et les interactions.  La matière est constituée par des particules appelées fermions.  Les interactions sont portées par les bosons.  L’ensemble est décrit, à l’heure actuelle par le Modèle Standard, théorie testée à l’aide d’expériences auprès d’accélérateurs de particules. 41

 BACKUP SLIDES ALWAYS USEFUL !! 42

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. 43

Origine de l’univers  Big Bang  Energie et particules elementaires  La lumiere ne peut pas se propager  s CP violation: ( ) matiere pour 10 9 antimatiere  Plasma quark-gluon  Premieres particules complexes (protons, neutrons) 44 T=10 16 K

Origine de l’univers  Univers transparent il y a annees (baisse de la densite)  milions d’annees  Galaxies, planetes,… Aujourd’hui 45 T=2,7 K T=10 16 K

Au-delà du Modèle Standard  Matiere noire (23% de l’univers)  Quelles particules constituent la matiere noire ? (>100 fois la masse du proton)  Energie sombre (73% de l’univers)  Expansion de l’univers (acceleration) 46