La Physique des Particules Élémentaires Une invitation au voyage...

« What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. » Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter

Plan En guise d’introduction: la quête du fondamental Des réponses pour des questions simples: De « quoi » le monde est-il fait ? Comment tout cela « tient »-il ensemble ? A quoi cela « sert »-il ? Et demain ? Les mystères non résolus…

La quête du fondamental Depuis la nuit des temps, l’homme a cherché à appréhender les briques « fondamentales » de son univers Fondamental = « simple », sans « structure » « On connaît la couleur, On connaît la douceur, On connaît l'acidité, Mais en réalité il y a des atomes et du vide. » Démocrite (400 avant J.-C.)

La quête du fondamental 19ème siècle: l’atome 1911: l’atome a une structure interne, il est composé d’un noyau, d’électrons et … de vide! 1930: le noyau est lui-même composé de protons et de neutrons 1969: le proton, le neutron et beaucoup d’autres particules sont composés de quarks Aujourd’hui: la quête continue!

Des réponses pour des questions simples… Depuis le début des années 70, les physiciens des particules ont synthétisé toutes leurs connaissances au sein d’un modèle unique: le « Modèle Standard »

De « quoi » le monde est-il fait ? De quarks Les quarks sont les constituants élémentaires (sans structure interne connue) des protons, des neutrons et de centaines d’autres particules Ils portent une charge électrique fractionnaire On en connaît à l’heure actuelle 6 « saveurs » différentes Chacun peut exister en trois « couleurs »: rouge, vert ou bleu Ils ne s’observent jamais seuls, ils se regroupent en particules « blanches » nommées hadrons. On distingue les « baryons » (3 quarks) et les « mésons » (quark+antiquark)

De « quoi » le monde est-il fait ? De leptons Il existe 6 leptons différents: l’électron et ses deux jumeaux (le muon et le tau) ainsi que 3 neutrinos Ces particules portent des charges entières et n’ont pas de « couleur » Les neutrinos sont des particules « fantômes » qui interagissent très peu et qui ont une masse probablement très faible

Aparté: l’énergie en physique des particules L’unité d’énergie utilisée par les physiciens de particules est « l’électron-volt »: 1 eV = 1,6 £ 10-19 J 100 TeV = 100 £ 1012 eV = Énergie dépensée par un moustique pour s’élever de 1m! E=mc2, on exprime donc la masse des particules élémentaires en E/c2, soit en keV/c2, en MeV/c2 et en GeV/c2 Masse d’un neutrino (' 0.1 eV) par rapport à la masse du quark top (' 180 GeV) , masse d’un grain de pollen par rapport à la masse d’un porte-avions!

De « quoi » le monde est-il fait ? De matière… et d’antimatière! Chaque particule de matière possède un double de même masse mais de charge opposée: c’est l’antimatière Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent en pure énergie De cette énergie peuvent à nouveau émerger d’autres particules grâce à la célèbre loi E=mc2

Comment tout cela « tient »-il ensemble ? Les bosons intermédiaires Contrairement aux fermions de la matière (spin ½), les bosons sont des particules de spin 1 Un boson intermédiaire est une particule à part entière associée à une des trois interactions fondamentales. On dit que les particules se les « échangent » pour interagir.

Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules La quantité de mouvement d’un objet est définie comme le produit de sa masse par sa vitesse : Lorsqu’une force s’applique à cet objet, sa quantité de mouvement varie Si aucune force extérieure ne s’applique, la quantité de mouvement totale est conservée Pour le système homme+bateau, on a Lors de la désintégration d’une particule au repos en 2 autres particules, ces dernières doivent donc porter des impulsions de sens opposé

Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules Les physiciens utilisent souvent des « diagrammes de Feynman » pour symboliser l’échange d’un boson intermédiaire entre deux particules élémentaires Ce boson « transporte » une certaine quantité de mouvement d’une particule à l’autre (ainsi qu’une certaine quantité d’énergie cinétique ½(mv2)=p2/(2m) ) Les quantités de mouvement s’expriment en keV/c, en MeV/c et en GeV/c

Comment tout cela « tient »-il ensemble ? L’interaction électromagnétique Théorie unifiée de l’électricité (e.g. des charges opposées s’attirent) et du magnétisme (e.g. une boussole indique le nord) Le messager de l’interaction électromagnétique est le photon, composant fondamental de lumière de masse nulle Seules les particules chargées sont sensibles à cette interaction, sa portée est infinie

Comment tout cela « tient »-il ensemble ? L’interaction faible Responsable, entre autres, de la désintégration du neutron. C’est, comparativement, la plus faible des interactions en physique des particules Les médiateurs de l’interaction faible sont les bosons Z0, W+ et W-, ces derniers sont, à l’inverse du photon, très massifs (80-90 GeV)! La portée de l’interaction faible est très limitée (¼ 10-18 m ! )

Comment tout cela « tient »-il ensemble ? L’interaction forte Elle permet aux protons du noyau (de même charge !) de rester « attachés » ensemble Les médiateurs de l’interaction faible sont les gluons de masse nulle Seules les particules « colorées » comme les quarks et les gluons y sont sensibles

Comment tout cela « tient »-il ensemble ? L’interaction forte Sa portée est très limitée mais son intensité augmente avec la distance Quand on tente des séparer un quark et un antiquark, l’interaction entre eux devient tellement importante que de leur énergie de liaison peut se transformer en une nouvelle paire quark-antiquark

A quoi cela « sert »-il ? GPS Relativité Restreinte & Générale, A. Einstein Ondes Radio Electromagnétisme J. C. Maxwell Laser Mécanique Quantique, E. Schrödinger & autres

Et demain ? Les mystères non résolus… Le boson de Higgs Dans le Modèle Standard certaines symétries de la théorie interdisent aux bosons intermédiaires d’acquérir une masse Grâce à une « brisure spontanée » de ces symétries, le problème peut être contourné Pour réaliser cette « brisure spontanée », une particule mystérieuse est nécessaire, c’est le boson de Higgs. Cette particule reste introuvable pour l’instant…

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une symétrie Situations symétriques Situations où la symétrie est brisée « explicitement »

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une symétrie A partir d’un problème symétrique… …on peut obtenir des solutions qui ne possèdent plus la symétrie ! )  )

Et demain ? Les mystères non résolus… Pourquoi les particules d’une même « famille » comme l’électron, le muon et le tau ont-elles des masses si différentes ? Pourquoi 3 « générations » dans chaque famille ? Pourquoi l’univers est-il essentiellement composé de matière et pas d’antimatière Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ?

Et demain ? Les mystères non résolus… Où se situe la gravitation dans ce schéma ? Les théories « au-delà du Modèle Standard » telles que la « supersymmétrie » ou la « théorie des cordes » seront-elles un jour vérifiées ? La quête du fondamental a-t-elle une fin ? … et bien d’autres questions qui attendent les générations de physiciens à venir !!!

« The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy.  » Steven Weinberg