Physique de particules élémentaires et d’Astroparticule Jürgen Brunner CPPM / Luminy

CPPM Centre de physique des particules de Marseille Le laboratoire est une unité mixte de recherche qui relève à la fois du CNRS/IN2P3 et de l’université de la Méditerranée

CPPM profile physique LHC (CERN/Genève) : Atlas & LHCb –Collisionneur proton-proton –en cours de démarrage Tevatron (Fermilab, Chicago) : D0 –Collisionneur proton-antiproton –Pris de données HERA (Hamburg) : H1 –Collisionneur proton-électron –Analyse de données (fin d’opération 2007) Antares (Porquerolles) –Télescope à neutrino –En cours de démarrage SNAP (Espace) –Observation de supernovae pour la cosmologie Imxgam (Marseille) –CT & PET pour la recherche biomédicale (souri)

Physique de particules élémentaires 12 heures Dévoilement de la structure de la matière Description des forces fondamentales Recherche d’un approche unifié pour décrire la nature Utilise surtout des accélérateurs de particules Cours

Astrophysique des Particules Physique des Particules Astrophysique Cosmologie Astronomie Physique Physique d’Astroparticule 12 heures

Physiques des Astroparticules: l’origine et la structure de l’univers ? Big Bang Aujourd’hui Il y a 15 milliard d’ans Qu’est-ce c’est la structure actuel ? Qu’est-ce c’est passé pendant les premiers minutes? Comment il a formé la structure de l’univers? evolution

Plan de cours (24 h) 14/12/07 (ven)2h 13:30 – 15: /12/07 (lun) 2h08:00 – 10:00232/234 09/01/08 (mer)2h08:00 – 10: /01/08 (mer)4h 08:00 – 12:15 24/01/08 (jeu)4h 08:00 – 12:15 01/02/08 (ven)4h 13:30 – 17:45 22/02/08 (ven)2h08:00 – 10:00 29/02/08 (ven)4h08:00 – 12:15

Concept d’élément/particule Des éléments chimiques au particules élémentaires Échelles : –Longueur d’onde –taille –Énergie –Mass

Si – Ge dans microscope électronique Atom nm Noyau m + Electron < m

Particules élémentaires 1932 Protoncharge +mass1 Neutroncharge 0mass 1 Electroncharge -mass 1/1836 –Mass atomique : –Position dans le table périodique

Relations avec système SI m(proton) = kg = MeV/c 2 m(neutron) = kg = MeV/c 2 m(electron) = kg = MeV/c 2 q(proton) = q(electron) = As 1 eV = VAs (=Ws = J) 1/m(proton) = /g (Avogadro !) –1 mol : nombre des protons dans 1 g du H –1 mol : nombre des noyaux de N nucléons dans N g de X

Relations avec système SI m(proton) = kg = MeV/c 2 m(neutron) = kg = MeV/c 2 m(electron) = kg = MeV/c 2 q(proton) = q(electron) = As 1 eV = VAs (=Ws = J) 1/m(proton) = /g (Avogadro !) –1 mol : nombre des protons dans 1 g du H –1 mol : nombre des noyaux de N nucléons dans N g de X

Invariance d’échelle Pourquoi tous les atomes ont ~ la même taille ? Échelle atomique: –Couches d’électrons supplémentaires compensé par force électro-magnétique supérieurs –Plus gros : Cs –Plus petit: He

Invariance d’échelle Pourquoi tous les noyaux ont ~ la même taille ? Échelle noyau –Taille ~ –Uranium N ~ 300  facteur 7 par rapport de H

Structure interne proton & neutron Moment magnétique composition –Proton (51)(u u d) –Neutron (7)(u d d) –Électron (59)(*) –Muon (8)(*) (*) consistent avec théorie quantique

Relativité restreint

Proprietes des transformation Galilean Temps t universel Distance invariant pour transformation Additions des vitesses

Invariance des lois de physique Pour F invariant sur transformation Galiléen loi est aussi invariant

Équation de Maxwell Ondes électron magnétiques E=(E x,0,0) Vitesse de propagation : c Conservation de charge

Équation de Maxwell Ondes électron magnétiques E=(E x,0,0) Vitesse de propagation : c Conservation de charge

Conflit Équation de Maxwell ne sont pas invariant sur transformation Galiléen –Hypothèse: Équation de Maxwell ne sont correct que dans une système spécial –Défini par l’éther dans lequel propage les ondes électromagnétique –Problème: mesure la vitesse de la terre par rapport d’éther

Systeme de reste absolu Astrophysique –Rotation de la terre autour de soi-même –Rotation de la terre autour du soleil –Rotation du soleil autour du centre de notre galaxie –Mouvement de notre galaxie dans l’amas des galaxies –Mouvement de amas … –….

L (cm) Observation Calculation Ratio Michelson, Michelson & Morley Morley & Miller, Illingworth, Joos, Shankland, et al., Rev. Mod. Phys. 27, 167 (1955) Resultats

Nouvelle concept Modifier transformation Galiléen pour rendre invariant les équations de Maxwell et les équation de Newton (Einstein 1905) Hypothèse: la vitesse de la lumière dans le vacuum est constant

Transformation de Lorentz

Contraction de longueur Equivalent dans le 2 senses

Dilatation du temps -

Additions des vitesses a=-b=0.9c on obtient u=

Additions des vitesses a=-b=0.9c on obtient u=

La norme avec le transformation de Lorentz 4-vecteurs espace/temps invariant ! Mais peut être négative 0 : lumiere - : non-causal + : causal

La norme avec le transformation de Lorentz 4-vecteurs energy/momentum invariant ! non negative Energy ~ mass EbEb Loi de Newton:

Lorentz transformation 4-vecteur Espace/temps Energy/momentum

Lorentz transformation 4-vecteur Souvent outile la transformation du systeme ‘reste’ Souvent on utilise pour

Particules sans masse 4-vecteur invariant zéro Lorentz boost infini Vitesse toujours c dans tous les systèmes ses coordonnées Exemple : photon

Description covariant We define the covariant vector in terms of the components of its cousin, the contravariant vector The dot product of two four vectors a and b is defined to be: By explicit calculation, we can find that a·b is Lorentz invariant, i.e., a'·b'=a·b

Somme des 4-vecteurs energie/impulsion

Pour

Somme des 4-vecteurs energie/impulsion Pour

Approximation non-relativiste Taylor expansion pour  =0

Approximation non-relativiste Taylor expansion pour  =0

Approximation non-relativistic

ß=v/c  1/  Dilatation de tempscontraction d’espace

Approximation non-relativistic ß=v/c  1/  Dilatation de tempscontraction d’espace

Muons atmospheriques

Radiation d’un corps noire k – constante de Boltzman E ~ kT relation entre energie et temperature dans un gas ideal Loi de Rayleigh - Jeans

Formule du Planck – début de la théorie quantique E=h Relation entre énergie et fréquence pour photons h << kT on retrouve la loi classique

Corrélations entre quantités physiques Energie eV Momentum eV/c Mass eV/c² Temps ħ/eV Espace ħc/eV Vitesse β=v/c Frequence eV/ħ ħ/x c c c Angular momentum – particle spin!