CHAPITRE 9 - LES INTERACTIONS FAIBLES A lire : Perkins, ch. 7 Griffiths, ch. 10 9.1 Historique et classification a) Les médiateurs de l’interaction faible sont le b) La charge faible a 2 composants - on l’appelle « isospin faible » c) Les interactions faibles existent entre chaque type de quark et de lepton : l’interaction est donc très faible, et souvent cachée pars les interactions EM ou Fortes. Par exemple :

9.1 (cont.) Historique et classification d) La première observation fut dans les désintégrations radioactives. - Spectra en énergie de e+ Pauli postule l’existence du neutrino (1934) [à voir : 9.2] - La plupart des textes posent m = 0 [ce n’est pas le cas, à voir] (Plot de Kurie sect. 9.2) e) Les interactions faibles ne conservent pas la parité, donc, création d’état à partir d’états initiaux non-polarisés [chap. 9] f) Les interactions faibles ne conservent pas [CP]  distinction entre matière et anti-matière [chap. 9] g) Les interactions faibles brisent la symétrie de conservation d’étrangeté. mélange de saveur en secteur quark (K-M. matrix) ( plus récemment, mélange de flavour en secteur leptonique) h) A part l’effet de mélange des quarks (et plus récemment les neutrinos), comme décrit dans le chapitre 9, le couplage faible est indépendant de la saveur. i) Les réactions de base des interactions faibles sont :

9.2 Désintégration du neutron et théorie de Fermi a) Pour les gens qui ont suivi le cours QED, un traitement complet est donné par Griffiths (chap. 10.3) - Dans ce cas, - Puisque , le propagateur peut être inclus avec la constante de couplage Dans ce cas : (Théorie de FERMI) espace de phase

9.2 (cont.) Désintégration du neutron et théorie de Fermi b) Suivons le développement de Fermi [Perkins, 7.3] - si n est au repos - si - Maintenant

9.3 La réaction Découverte du neutrino

9.3 cont. La réaction perte d’énergie par ionisation scintillateur capturé par le nucléon de Cd collisions élastiques avec Cd état excité

9.4 Développement des faisceaux de neutrinos a) Pendant les années 60, des faisceaux de neutrinos étaient développés au CERN et à Brookhaven. b) Lederman, Steinberger, Schwartz

9.4 Développement des faisceaux de neutrinos c) Au contraire, en utilisant les e (p.ex. réacteurs) d) Le  était découvert par PERL en 1974 : et le  n’était pas observé mais supposé exister e) La première identification directe de  était à Fermilab, récemment :

9.5 Non-conservation de parité dans les interactions faibles a) Les désintégrations étaient un problème dans les années 50, en plus parce que l’indication était que K+ et étaient la même particule. Lee et Yang (1956) ont proposé la non-conservation de la parité b) Wu a fait une expérience de confirmation : - Wu a mesuré l’électron : - Dans une réflexion de l’axe z :

9.5 (cont.) Non-conservation de parité dans les interactions faibles - Pour les conservation de J : - Nous définissons l’Hélicité (polarisation) par : - Au niveau EXPERIMENTAL - Goldhaber et al. ont montré que : - Maintenant, nous savons que m  0  question sur l’existence de R pour  = , l’électron ET le neutrino sont polarisés dans la direction longitudinale

9.6 Les interactions (V-A) des interactions faibles a) Pour les FERMIONS sans MASSE, b) L’équivalent dans la mécanique quantique sera : et les interactions sont : expérimentalement : . pour les leptons :CV = -CA . pour les quarks : CV  -CA (échange W) (à voir : section 9.8) . pour les hadrons, CV  -CA (effets nucléaires) . pour les échanges neutres (Z0), CV  CA c) Actuellement, on attribue les isospins faibles :

9.7 Egalité de couplage faible, selon FAMILIE a) Sauf réserve des quarks : est-ce que les quarks et les leptons portent les mêmes quantités de charge faible ? b) Egalement, pour

9.8 Les courants neutres (Z0) faibles . Pour les courants chargés : . Observation selon modèle de GSW (Glashaw - Salam - Weinberg)

9.8 Les courants neutres de l’interaction faible b) Observation directe par les expériences UA1 (Rubbia et al.) et UA2 (Darriulat et al.) en 1983. c) Entre 1989 et 2001, le Z0 était étudié au collisionneur LEP. et dès 1998 d) Dès le « modèle standard », le couplage g des interactions vectorielles et axiales sera modifié par :

9.9 Désintégration des pions a) Pour le Donc, pour la conservation de J, la probabilité que le a la même hélicité que le sera : Puis Donc

9.10 Désintégration faible des quarks a) Pour les leptons, nous avons parlé d’un couplage des interactions faibles selon l’opérateur de matrix. Pour les quarks, nous avons indiqué une modification du couplage. b) Au niveau expérimental, on observe que l’étrangeté est violée dans les désintégrations faibles : c) En 1963, Cabibbo a proposé que [modifié par nos connaissances actuelles] les états qui interagissent avec le W ne sont pas les quarks. où ne sont pas les états propres de l’opérateur de masse, mais une rotation de ses états dans l’espace des saveurs.

9.10 (cont.) Désintégration faible des quarks d) Dans le cas original de on avait e) Pour les courants neutres : f) Dans le contexte de notre connaissance actuelle, avec 3 générations Kobayashi-Maskawa ont proposé le MATRIX V :

9.11 Les oscillations particule-antiparticule et la violation de CP a) Regardons la désintégration Puis Le W se couple seulement au neutrino Mais (CP) est conservé dans ce cas. b) Mais regardons le système une transformation sera possible : Pendant leur propagation dans l’espace, le peuvent se désintégrer en pions. Donc, les états virtuels peuvent entre-temps se mélanger. c) K0 est un méson pseudo-scalaire , donc Mais, ne sont pas les états propres de C. Néanmoins, construisons

9.11 (cont.) Les oscillations particule-antiparticule et la violation de CP c) (cont.) Donc : si CP est conservé dans les désintégrations faibles, ça sera K1 et K2 qui se désintègrent Jusqu’à une bonne approximation, cette situation est (presque) correcte et on voit les désintégrations d) oscillation avecle temps de l’intensité de on mesure

9.11 (cont.) La violation de CP e) Jusqu’à maintenant, les désintégrations KS et KL sont CP-invariantes Mais (1964) CHRISTENSON CRONIN ont mesuré l’existence de FITCH la désintégration TURLAY Une explication de l’effet peut venir de l’existence d’une phase complexe dans la matrix CKM La seule façon de distinguer la matière et l’antimatière f) - On attend de savoir si le système montre la violation de CP. - Les expériences CDF, Babar et Belle ont récemment mesurées la violation de CP g) Dans le secteur leptonique : les oscillations ont été montrées (Prix Nobel 2002) et Est-ce qu ’il y a violation de CP dans le secteur letponique ?

9.11 (cont.) La violation de CP h) Pour le système , les désintégrations leptoniques des brisent aussi la symétrie de CP : Mais Distribution absolue entre matière et antimatière « charge porté en préférence par le lepton » donc les taux de désintégration devront être égal