La physique des particules

Le saviez-vous ? … si les protons et les neutrons avaient un diamètre 1 cm … … alors les électrons et les quarks seraient + petits que le diamètre d'un cheveu et l'atome aurait un diamètre supérieur à la longueur de 30 terrains de football (~3 km) ! …

Le saviez-vous ? … Combien de particules “de matière” élémentaires existe-t-il ? 12 !

La chambre à brouillard !! Le saviez-vous ? … Le premier détecteur de particules : quand et quoi ? La chambre à brouillard !! WILSON - 1911 Vapeurs d’alcool en ‘sursaturation’ : une particule chargée ionise le gaz  condensation et formation de gouttelettes blanches le long de la trajectoire des particules. Et qu’est ce qu’on voit dedans alors ? Radioactivité naturelle et rayons cosmiques ! g e,µ alpha (noyau d’He)

1) Les blocs élémentaires 6 quarks 6 leptons Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 1) Les blocs élémentaires 6 quarks 6 leptons 4 ‘bosons’ vecteur de force ? ? ? Masses (ordres de grandeur) : e 10-31 kg t ~ 4000 x e u ~ 4x e t ~ 4 105 x e Les 4 forces de la nature FORCE PARTICULE Force relative Portée (m) Nucléaire forte Gluon g  1 10-15 Electromagnétique Photon g  7 X 10-3 Infinie Nucléaire faible W+,W- & Z  10-5 10-17 Gravité graviton (tentative)  6 X 10-39 infinie

Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les quarks ! u d Un proton : charge=+1 u c t d s b +2/3 -1/3 Quarks fraction en charge de l’électron e u d Un neutron: charge=0 Les antiquarks q : tout pareil, mais avec une charge opposée ! D’autres particules : Des pions : p+ (u, d) p- (u, d) p0 (u, u) ou (d, d) Des mésons D : D+ (c, d) D- (c, d) Des baryons L : L+ (u,d,c) L- (u,d,c) D0 (c, u) ou (c, u) On appelle : “méson” : une paire de quark-antiquark “baryon” : 3 quarks On a formé des HADRONS (=lourd ≠ leptons=léger)

Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les quarks ! Baryons : 3 quarks ou 3 antiquarks 6 quarks hadrons Mésons : une paire de quark/antiquarks Mésons Baryons

Force=Interaction=Échange Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! Force=Interaction=Échange La gravité : On connait … … Mais on a juste jamais observé son messager le graviton. L’electromagnétisme : On connait aussi pas trop mal … Ex: la lumière est une onde EM ! Mais les autres … Sont un peu moins évidentes …

2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! La force faible :  exemple : radioactivité b e- Électron appelé “électron bêta” Particule messagère de l’interaction ne W- u d u d Transformation du neutron en proton p n temps Interaction Suivant le type d’interaction, la particule messagère peut être W+, W-,ou Z0. Tous les leptons e, µ, t sont émis avec leur anti-neutrino correspondant ne, nµ , nt

Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! La force forte :  phénomènes complexes de production de hadrons g u d Les quarks sont retenus entre eux dans les hadrons par des élastiques appelés gluons : c’est la force forte c u g D0 Effets d’une collision proton-proton : multiplication des élastiques … u d p u d p u c d g L+ s d g Ds+

Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? La place des physiciens-chercheurs Théoriciens : Élaborent des théories diverses prédisant certains phénomènes … to be continued Expérimentateurs : réalisent des expériences pour observer ces phénomènes, et valider ou invalider les modèles théoriques

Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? Les particules de matière ordinaire : neutron, proton, et électron. Pour créer le reste (hadrons et leptons + lourds), il faut fournir des hautes énergies. De plus, les particules lourdes ne sont pas stables et se désintègrent en particules légères. Le Modèle Standard est une théorie, qui a prédit l’existences de particules grâce à différentes symétries … Le but a ensuite été d’observer ces particules ! Comment observer des particules lourdes, à très faible durée de vie ? ? ?

Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? ? ? ? ? ? ? Comment observer des particules lourdes, à très faible durée de vie Collisions de particules “standards” (électrons ou protons) à de très hautes énergies Formation de particules lourdes Désintégration de ces particules lourdes en particules “standards” ou + légères (p,µ) u d p u d p Reconstruction de la masse et des propriétés physique de la particule lourde produite à partir des particules ‘standard’ reconstruites Un “événement” : interaction dans un détecteur des particules ‘standards’ issues de la désintégration de la particule lourde Jusqu’à maintenant : l’accélérateur LEP (Large Electron-Positron) au CERN + d’autres accélérateurs-collisionneurs aux Etats-Unis  Observation et découverte de toutes les particules du modèle standard.

Le boson de Higgs : le grâle actuel de la physique Le chaînon manquant du Modèle Standard Imaginé entre autre par Peter Higgs dans les années 60 Permet de relier les forces électromagnétique et faible Donne une masse à toutes les particules, mais permet aussi d’expliquer la masse nulle des photons !! Mais : il n’y a aucune prédiction théorique sur sa masse – on ne possède qu’une limite inférieure expérimentale. Enormément de “bruits de fond” venant d’autres processus physique dans les mesures, la tâche est ardue !! Une véritable quête :  Enormément d’efforts sont mis en oeuvre dans les laboratoires du monde entier, pour un jour pouvoir observer le Higgs au CERN.

Les expériences du CERN Challenges : Précisions sur les masses et sur plusieurs propriétés physiques des particules du modèle standard. Découverte du Higgs Recherche de “nouvelle physique” : SuperSymétrie, extra-dimensions, … Recherche de nouvelles particules comme candidat à la ‘matière noire’ GENEVE p p Le LHC : Large Hadron Collider

Les expériences du CERN Comment c’est fait un détecteur de particules ? De façon standard, pour les ‘collisionneurs’ comme au CERN … p p Boom : l’interaction But : reconstruire et reconnaitre les particules issues de l’interaction, pour connaitre la particule produite par le choc p-p. Des gros progrès depuis la chambre à brouillard !  On reconstruit les interactions des particules et l’énergie avec de plus en plus de précision  découverte de particules de + en + complexes !

Les expériences du CERN Petit exercice : Qui est quoi ? Aide : on cherche un muon µ, un électron e, un photon g, un neutron n, un proton p

Le but ultime de la physique des particules Unifier les 4 forces  théorie des “Cordes” (Un peu compliqué) Et … Sait-on jamais ce qu’on peut trouver là où on ne pensait pas à chercher …

Si vous êtes toujours vivants … BRAVO ! Hésitez pas : magali.besnier@lapp.in2p3.fr