Physique des particules élémentaires PHYS-F-305 BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Message Le cours d’électronique de cet après-midi, 18 septembre, est supprimé afin de vous permettre d’assister à la rentrée académique qui se déroule à partir de 16 h, Amphithéâtre P.E. Janson, avenue F.D. Roosevelt 48, 1050 Bruxelles. PROGRAMME: * 16h00 - Ouverture de la séance par M. Jean-Louis VANHERWEGHEM, Président du Conseil * 16h10 - Allocutions de MM. Ludovic VOET et Thomas PETIT, représentants des étudiants au C.A. * 16h25 - Allocutions de Mme Nadia GAMMAR et M. Marcel NICLOT, représentants du Corps scientifique et du PATGS réunis * 16h40 - Allocution du Président du Conseil: "ULB 2009" * 17h00 - Discours inaugural de M. Philippe VINCKE, Recteur de l'Université: "175 ans!“ le 1er cours d’électronique aura lieu le vendredi 25 septembre 2009, à 16h, au Solbosch, Batiment C, 87 av Buyl, Niveau 3, Service OPERA BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Objectifs du cours offrir un minimum de culture générale dans le domaine de la physique des particules pour ceux qui choisiront d’autres options que les I.f. en MA poser les bases des cours suivants, théoriques ou expérimentaux, pour ceux qui suivront l’option I.f. en MA apprendre à faire le lien entre observations expérimentales et modèles théoriques mettre en pratique des concepts appris aux cours de relativité restreinte et de mécanique quantique de BA2 BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Contenu du cours I Introduction II Moyens d’investigations expérimentales (introduction) III Découverte des particules et des interactions forte et faible (simplifiée et incomplète) IV Les accélérateurs (suite) V Le modèle des quarks .... à compléter ... invariances et symétries ... détecteurs (suite) ... différentes interactions ... BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Références “Introduction to Elementary Particles”, David Griffiths, 2nd Revised Edition (2008), Wiley-VCH. “Particle Physics”, B.R. Martin and G. Shaw, 3rd Edition (2008), Wiley. “Particles and Nuclei”, Povh, Rith, Scholz, Zetsche, 5th Edition (2006), Springer. Introduction to High Energy Physics, D. H. Perkins, Cambridge University Press (4th edition), ISBN 0 521 621968 “Quarks & Leptons : An Introductory Course in Modern Particle Physics”, F. Halzen, A. D. Martin (1984), Wiley. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Organisation pratique Cours (2 ECTS) + TP perso (1ECT) Transparents, travaux, messages, etc : voir Université virtuelle ; http://uv.ulb.ac.be/ Evaluation : examen oral à la session de janvier (17 points) : question de synthèse demandant de rassembler des informations apparaissant dans différents chapitres du cours. Une bonne compréhension est exigée, une connaissance des ordres de grandeur mais pas des valeurs précises (tables disponibles). 3 TP perso – 1 point chacun, reçu si travail fait sérieusement, validé par une question à l’examen BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Organisation pratique 1er travail personnel: Révision des notions de relativité restreintes nécessaires pour ce cours - notes disponibles sur l’Université Virtuelle: http://uv.ulb.ac.be/ Exercices à faire pour le lundi 19 octobre (consignes et énoncés sur l’UV) – peut être commencé immédiatement. Objectif : acquérir un minimum d’automatismes dans la manipulation des formules de base afin de pouvoir suivre certains arguments du cours sans difficultés. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I. Introduction PHYS-F-305 BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

Contenu du chapitre I I.1.La physique des particules élémentaires I.2.Les particules élémentaires I.3.Ordres de grandeur et unités I.4.Rappels de relativité restreinte I.5.Les interactions fondamentales I.6.Le Modèle Standard de la physique des particules I.7.Lien avec la cosmologie I.8.Tables BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.1.La physique des particules élémentaires Quels sont les constituants les plus petits de la matière : les particules élémentaires? Quelles sont les forces responsables des interactions entre ces particules? BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.2.Les particules élémentaires philosophes grecs : Anaximène et Thalès (VIème et Vème av. J.C.): eau, air, feu (,terre). Leucippe et Démocrite (Vème et IVème av. J.C.): atomos (atomes) BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.2.Les particules élémentaires noyau électrons nucléons neutrons u d quarks protons La fynu s’intéresse au noyau et les pp s’intéresse aux part individuellement, à l’état libre u d quarks atome BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde 12

I.2.Les particules élémentaires Les constituants élémentaires qui fixent les propriétés macroscopiques de la matière stable, telles que la charge électrique, sont les électrons, les quarks up et les quarks down - + http://cpep.lal.in2p3.fr/ Il n’existerait donc que quelques espèces différentes de particules élémentaires, chaque espèce existant en un très grand nombre d’exemplaires parfaitement identiques: 1 électron = 1 électron Exemple : noyau d’hélium Les protons et les neutrons ne sont donc pas des constituants élémentaires. On appelle toutes les particules constituées de quarks des hadrons. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.2.Les particules élémentaires Pour rendre compte de toute matière connue, stable et instable, il faut faire appel à plus de constituants élémentaires : Les quarks Les leptons Ces quarks et ces leptons chargés supplémentaires sont instables; ils sont donc nécessairement plus lourds : ils se désintègrent en les plus légers. Il faut y ajouter 3 leptons neutres, associés à chacun des leptons chargés, de masse extrêmement faible (on a longtemps cru qu’elle était nulle). BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.2.Les particules élémentaires Les antiparticules : A chaque particule est associée une antiparticule; très semblable à sa particule, elle a même masse, même temps de vie, mais certaines propriétées sont inversées, notamment la charge électrique. p  p = antiproton n  n = antineutron e-  e- = e+ = positon ou positron charge - charge 0 charge + BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Dimensions spatiales La matière est essentiellement constituée de vide ! BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Importance de ces ordres de grandeur : détermine les techniques d’observations expérimentales: petites dimensions des particules  hautes énergies  accélérateurs (voir plus loin) on ne les « voit » pas  détecteurs (effets indirects) fixe le type d’études expérimentales : On ne peut étudier les interactions entre particules comme Cavendish et Coulomb l’ont fait pour les interactions grav. et é.m.. Il faut une approche plus indirecte: étude de diffusions de particules par une cible étude de désintégrations étude des états liés (= spectroscopie) contraint le cadre théorique : petites dimensions  théorie quantique hautes énergies  théorie relativiste BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Pourquoi de hautes énergies pour sonder la matière? Pour étudier un objet, on le bombarde avec des particules ou avec des ondes électromagnétiques: Onde visible Franges de diffraction Optique parfaite Dans ce cas le pouvoir de résolution est limité par le phénomène de diffraction: BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Pourquoi de hautes énergies pour sonder la matière? Critère de Rayleigh: D: ø de la lentille l = longueur d ’onde f = distance focale Résolution spatiale r : BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Pourquoi de hautes énergies pour sonder la matière? Mécanique quantique : dualité onde - corpuscule E = hc / l   constante de Planck longueur d’onde Objet de petites dimensions  l petit  haute énergie pour étudier sa structure interne. Les hautes énergies permettent aussi de créer de nouvelles particules massives : BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Echelle des énergies : Electronvolt 1 eV = 1.6 10-19 J Kilo keV 103 Méga MeV 106 Giga GeV 109 Téra TeV 1012 Pas si haute que çà, l’énergie ! Mais concentrée en un minuscule volume ! BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.3.Ordres de grandeur et unités Les unités de la physique des particules : Le Système International (cf. table.1.) utilise [L] = m et [M] = kg. . Ces unités ne sont pas appropriées en physique des particules; les longueurs et les masses typiques sont de l'ordre du diamètre et de la masse du nucléon : L  1015 m & M  1027 kg On utilise donc les unités suivantes : [L] = femtomètre ou anciennement fermi (1 fm = 1015 m) [énergie] = électronvolt et ses multiples (1 eV = 1,602 1019 J) [p] = eV/c [M] = eV/c² Ce choix permet d’écrire le relation E² = p²c² + m²c4 (voir rappel du cours de relativité), E² = p² + m². (Exercice : voir TP) plus tard nous définirons la section efficace d’une interaction,  : [] = barn (1 b = 1028 m²) BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.4. Rappels de relativité restreinte Transformations de Lorentz Reférentiel {t', } : vitesse constante v par rapport à {t, } Cas particulier : vitesse selon z x x' y y' z z' ct = g (ct’ + b . x’) x = x’ y = y’ z = g (z’ + bct’) avec g = v c b= Ex : Temps de vie t’ dans le système de repos de la particule ® Temps de vie apparent dans le système où la particule a une vitesse vitesse v : t = gt ' Distance parcourue dans ce système pendant un temps t’ = t’ : x = gbct ' BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.4. Rappels de relativité restreinte Quadrivecteurs et invariants: Espace – temps: Invariant : X2 = c2t2 – x2 – y2 – z2 Energie-impulsion : Invariant : m : masse au repos de la particule ou si les unités eV, eV/c et eV/c² sont utilisées. E2 = p2 + m2 Dès lors . Il a même transformation que X; suivant z cela donne: E' = g (E – bpz) E = g (E' + bp'x) ou p'z = g (pz – b E) pz = g (p'z + b E') Pour une particule au repos dans {t', } : E' = m E = g m Þ p’z = 0 pz = g bm g = E/m b = p/E BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales 10-40 10-2 atome Force gravitationnelle Force électromagnétique 1 10-5 noyau n  p + e- + ne d  u + e- + ne Force forte ou de couleur Force faible BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La description des interactions: Comment comprendre que des particules puissent interagir à distance, sans qu’il y ait contact? En électromagnétisme classique, on explique la propagation de la force, même dans le vide, par l’émission et l’absorption continue d’une onde é.m. associée aux champs électrique et magnétique. Cela convient à longue distance mais à courte distance les effets quantiques apparaissent : l’interaction est transmise de manière discontinue, par l’échange de photons, la particule associée à l’onde é.m. (dualité onde-corpuscule). Dès lors les théoriciens ont construit des théories qui décrivent les interactions à distance entre particules élémentaires, par l’échange de particules « messagères » entre ces particules : les bosons intermédiaires, bosons parce que ce sont des particules de spin entier, tout comme le photon, qui a un spin 1. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales Le mécanisme d’échange: La portée de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente. (Nous verrons plus loin une anomalie par rapport à cette idée en apparence évidente.) Analogie approximative : http://www.cerimes.education.fr/ Marche uniquement pour une force répulsive. Force attractive : boomerang ? Image plus réaliste : les particules échangées lors d’une interaction à distance portent un message. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales L’électrodynamique quantique : est donc la théorie qui rend compte des interactions électromagnétiques par l’échange de photons. Exemple: portée infinie En fait : flux de photons renvoyés de l’électron au proton, émis et absorbés. http://www.cerimes.education.fr/ BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam): Interactions électromagnétiques, médiateur: le photon + Interactions faibles, médiateurs: bosons Z0, W+ et W- lourds! Exemple 1:  interaction à courte portée p n W± échange d’un boson W+ ou W- “courant chargé”  + d(du)  - + u(du) BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La théorie électrofaible: Exemple 2: Unification de 2 des forces fondamentales au sein d’une théorie unique! cf. Maxwell : unification des forces électrique et magnétique.  + e-   + e- e- échange d’un boson Z° “courant neutre” BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La théorie QCD (chromodynamique quantique): Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8. http://www.cerimes.education.fr/ Mais pas (encore?) de théorie qui unifie la théorie électrofaible et QCD ! ....... et pas du tout de théorie de la force gravitationnelle qui soit à la fois relativiste et quantique et qui suive ce modèle avec échange de particules : existe-il des gravitons? Toutefois, la force gravitationnelle est tellement faible, aux énergies actuellement atteintes, qu’elle est négligeable au niveau des particules, vu leur faible masse. Elle n’agit que sur les objets très massifs. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La notion de section efficace, s : La section efficace est une notion introduite pour caractériser la probabilité de se produire des différents processus d’interaction. Image naïve d’une cible d’archer : Le paramètre qui détermine la probabilité d’interaction des flèches (supposées ponctuelles et arrivant de manière aléatoire) est la surface que la cible offre aux flèches : S R S = p R² rate la cible : pas d’interaction atteignent la cible : interaction BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La notion de section efficace, s : Application à des interactions entre particules : Supposons les particules A, ponctuelles, envoyées sur une cible de B. C’est la surface offerte au faisceau de A par B, s, qui va jouer. Mais pour les interactions de particules, les choses sont moins simples que pour la cible et les flèches : la probabilité d’interaction va dépendre de la nature de toutes les particules en présence, A, B, C, D, ... elle va dépendre de la structure interne des particules qui interagissent (ponctuelles, étendues dans un volume mais homogènes ou, au contraire, de nature granulaire) elle va dépendre de l’énergie disponible ensuite la surface offerte par les particules cibles au faisceau n’a pas un contour net; cela résulte de ce que les interactions fondamentales agissent à distance. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La notion de section efficace, s : Application à des interactions entre particules : On définit une section « efficace » qui tient compte de ce que les particules interagiront d’autant moins qu’elles passent plus loin de la cible. La section qu’elles offrent dépend du paramètre d’impact b, la distance à laquelle la trajectoire initiale de la particule projectile passe du centre diffuseur. ou (car q = f(b)) s(q) est une section efficace différentielle, s est la section efficace totale. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La notion de section efficace, s : Définition: La section efficace d’un processus donné est la probabilité qu’il se produise si la particule cible est irradiée par un flux de 1 particule par unité de surface, exprimée dans cette unité de surface. Conséquence On peut écrire le taux du processus sous forme d’un produit : N [s-1] = s x L où s, la section efficace dépend uniquement du processus et L, appelée luminosité, dépend des caractéristiques de la cible et du ou des faisceaux (densité, flux). BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.5.Les interactions fondamentales La notion de section efficace, s : Unité de section efficace : le barn La section efficace d’un processus est une des grandeurs que les théoriciens s’efforcent de prédire et que les expérimentateurs peuvent mesurer. Cette grandeur a les dimensions d’une surface. Dans les interactions nucléaires, avec des noyaux atomiques, les sections efficaces qui entrent en jeu sont de l’ordre de la surface offerte par un noyau atomique, soit : En physique des particules, les sections efficaces sont encore plus petites, généralement bien inférieures au mb. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.6.Le Modèle Standard de la physique des particules (SM) Ce qui distingue les quarks des leptons: ils ressentent l’interaction forte tandis que les leptons pas ! spin 1/2 spin 1 g médiateurs des forces I II III 3 générations de particules de matière BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.7.Lien avec la cosmologie L’univers est en expansion: Hubble (1929):observe que les galaxies se fuient. L’univers gonfle comme s’il était le résultat d’une gigantesque explosion* : le big-bang, qui aurait eu lieu il y a 15 milliards d’années. Au cours de cette dilatation, l ’énergie diminue, c’est-à-dire que l’univers se refroidit. *Attention, il ne s'agit pas de l'explosion d'une quantité de matière en un point d'un espace-temps préexistant mais de l'évolution de l'espace-temps lui-même. La théorie ( forcément quantique) qui gouverne cette évolution dans les premiers instants reste encore à inventer. Distance (Mpc) (kilomètres par seconde) Vitesse BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

I.7.Lien avec la cosmologie L’univers est en expansion: Dans les instants qui ont suivi le bigbang, l’univers concentré en un minuscule volume avait une énergie colossale. Les expériences à haute énergie, auprès des accélérateurs, permettent de reconstituer les conditions qui régnaient quelque 10-10 s après le bigbang et d’imaginer à quoi ressemblait l’univers à cet instant et comment il a pu évoluer vers celui que nous connaissons. BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde

tableau fourni par E. Daubie - UMH I.8. Tables BA3-physique -2009-2010 C. Vander Velde tableau fourni par E. Daubie - UMH

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