Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique 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

Révolution scientifique Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée, Pascal, etc.)

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

XIXème siècle Mendeleïev Dalton : chaque élément est un atome différent

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

Le noyau atomique X Le noyau n’est pas insécable Constitué de protons et de neutrons Protons et neutrons composés de quarks A X Z ~10-14 m

Structure des nucléons Protons et neutrons composés de 3 quarks ~10-15 m

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

Univers d’une grande compléxité et diversité Pt commun entre ces objects qiu ont des comportements differents La science a prouvé que ces objets sont constitués des memes briques fondamentales

Interactions fondamentales Interaction électromagnétique Interaction gravitationnelle Interaction forte Interaction faible

Qu’est-ce qu’une interaction ? Isaac Newton 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

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

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

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

Radioactivité β neutron proton + e- +ν 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 neutron proton + e- +ν

Radioactivité β ν Médiateur de l’interaction faible : le W u d W- e- Proton Neutron e- ν

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

Fermions Bosons

Le modèle standard de la physique des particules

Le Modèle Standard Modèle Standard Symétrie Relativé Quantique Modèle Standard décrit les particules élémentaires et leurs interactions Elaboré dans les années 1960-70 Testé expérimentalement avec une grande précision

Et le boson de Higgs ? 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

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

Matière et énergie noire

Quelques questions en suspens 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 ? …

Conclusions 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

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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.

Un bref historique

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 𝛃) 1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)

Un bref historique (2/4) 1932- 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion. 1946-1950 : 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) 1960-1970: 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 𝛕 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 1990-2000 : 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