II Introduction à lInteraction Forte II Introduction à lInteraction Forte 1 Pourquoi linteraction forte ? 2 Propriétés de linteraction forte 3 Lélémentarité

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1 II Introduction à lInteraction Forte II Introduction à lInteraction Forte 1 Pourquoi linteraction forte ? 2 Propriétés de linteraction forte 3 Lélémentarité des nucléons remise en cause 4 Modèle des Quarks 5 La Chromodynamique Quantique

2 1 Pourquoi linteraction forte Linteraction électromagnétique et la gravitation sont responsables des phénomènes observés dans la vie courante. Linteraction électromagnétique et la gravitation sont responsables des phénomènes observés dans la vie courante. Linteraction (em) ou interaction de Coulomb Linteraction (em) ou interaction de Coulomb intervient dans différents domaines de physique (phys. Atomique, intervient dans différents domaines de physique (phys. Atomique, physique moléculaire, physique du solide etc..) et est très bien connue. physique moléculaire, physique du solide etc..) et est très bien connue. Dans le cadre de la théorie quantique des Champs, elle est décrite par lElectrodynamique Quantique (QED) qui a connu un succès considérable. Jusquà présent, aucun résultat expérimental na pu mettre en défaut la QED Cependant, cette interaction nest pas responsable de la cohésion entre Les nucléons à lintérieur des noyaux (les protons sont chargés positivement et les neutrons sont neutres) Lénergie de liaison dun nucléon à lintérieur du noyau est de lordre de MeV (1 million deV) tandis que celle dun atome, elle est seulement de lordre de quelques eV. Lénergie libérée lors dune fission dun noyau lourd ou dune fusion entre Les noyaux légers est considérable. Mentionnons également la quatrième interaction connue sous le nom de linteraction faible, Mentionnons également la quatrième interaction connue sous le nom de linteraction faible, responsable de la désintegration radioactive beta et sans elle le monde ne serait pas ce quil est !!!

3 Tableau récapitulatif InteractionFermionsBosonsPortée Charge spécifique Intensité relative Gravitationnelle Pesanteur, les marées, les trajectoires des planètes... toutes les particules graviton (?) infinie, décroît avec la distance masse10 -36 Electromagnétique Quasiment tous les phénomènes de la vie courante leptons chargés et quarks photon infinie, décroît avec la distance électricité10 -2 Forte Cohésion des noyaux atomiques quarksgluon 10 -13 cm, croît avec la distance couleur1 Faible Radioactivité beta, Soleil leptons et quarks boson (W +, W -, Z°) 10 -16 cmfaible10 -7 (c) IN2P3 Liens généraux

4 2- Propriétés de linteraction forte Noyaux stables Noyaux stables Masses et Energie de liaison des noyaux Masses et Energie de liaison des noyaux Intensité de lintéraction nucléaire Intensité de lintéraction nucléaire Ligne de stabilité Ligne de stabilité Système à deux corps Système à deux corps Lindépendance des charges (concept dIsospin) Lindépendance des charges (concept dIsospin) La dépendance de spin La dépendance de spin Quantum dinteraction nucléon-nucléon Quantum dinteraction nucléon-nucléon Constante de couplage de Yukawa Constante de couplage de Yukawa

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6 3- Lélémentarité des nucléons remise en cause a) Moment magnétique du proton et du neutron b) Diffusion élastique electron-nucléon et distribution de charge dans les nucléons c) Résonances pion-nucléon et Résonances mésoniques

7 a) Le moment magnétique observé de lélectron est bien compris dans le cadre de la théorie due à P.A.M. Dirac a) Le moment magnétique observé de lélectron est bien compris dans le cadre de la théorie due à P.A.M. Dirac Le moment magnétique mesuré du proton dépassait presque dun facteur 3 les prédictions théoriques. Le moment magnétique mesuré du proton dépassait presque dun facteur 3 les prédictions théoriques. Le neutron (particule neutre) possède aussi un moment magnétique. Lexpérience révélait une valeur négative et en valeur absolue à peu près le 2/3 de celui du proton. Le neutron (particule neutre) possède aussi un moment magnétique. Lexpérience révélait une valeur négative et en valeur absolue à peu près le 2/3 de celui du proton. Dans le cadre du modèle des Quarks, on peut expliquer en partie ces observations en admettant que les protons et les neutrons sont formés de quarks chargés; doù un moment magnétique non nul du neutron. Dans le cadre du modèle des Quarks, on peut expliquer en partie ces observations en admettant que les protons et les neutrons sont formés de quarks chargés; doù un moment magnétique non nul du neutron.

8 Moments magnétiques du proton et du neutron Avec le modèle des quarks, on essaie dexpliquer les valeurs observées des moments magnétiques des nucléons. Avec le modèle des quarks, on essaie dexpliquer les valeurs observées des moments magnétiques des nucléons. Dans la théorie relativiste de lélectron (Dirac), le moment magnétique dune particule de spin ½ sécrit : Dans la théorie relativiste de lélectron (Dirac), le moment magnétique dune particule de spin ½ sécrit : La fonction donde globale est antisymétrique vis à vis des variables despace,de spin de saveur et de couleur La fonction donde globale est antisymétrique vis à vis des variables despace,de spin de saveur et de couleur

9 Le moment magnétique du nucléon est la somme des moments magnétiques de ses quarks de valence, les valeurs dans le tableau sont en unités de magnéton de Bohr nucléaire BaryonsProtonneutron Moment magnétique 4/3 moment du quark u – 1/3 moment du quark d 4/3 moment du quark d – 1/3 moment du quark u Théorie2,82-1,88 Mesure2,793-1,913

10 b) Les distributions angulaires observées dans la diffusion élastique electron-proton sont en désaccord avec les prédictions dans lapproximation des particules ponctuelles. b) Les distributions angulaires observées dans la diffusion élastique electron-proton sont en désaccord avec les prédictions dans lapproximation des particules ponctuelles. On introduit « le facteur de forme » des nucléons, montrant que ces particules sont composites On introduit « le facteur de forme » des nucléons, montrant que ces particules sont composites c) Dans la diffusion élastique pion-proton, la section efficace présente lallure caractéristique dun phénomène de résonance. Cet état excité du nucléon est connu sous le nom de Delta (1232) dont la durée de vie est de 5 10^(-24) s. c) Dans la diffusion élastique pion-proton, la section efficace présente lallure caractéristique dun phénomène de résonance. Cet état excité du nucléon est connu sous le nom de Delta (1232) dont la durée de vie est de 5 10^(-24) s. On observe un grand nombre de résonances : des Baryons et des Mésons On observe un grand nombre de résonances : des Baryons et des Mésons

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12 4 Modèle des quarks

13 Le modèle des quarks a été introduit par Gell-Mann et Zweig en 1964 Les baryons sont formés de 3 quarks et les mésons de quark anti-quark; par exemple : Les baryons sont formés de 3 quarks et les mésons de quark anti-quark; par exemple : Proton (uud), neutron (udd), pi(+) (u,antiquark d) etc… Proton (uud), neutron (udd), pi(+) (u,antiquark d) etc… Ces quarks sont « colorés » cest-à-dire quils portent un nombre quantique de « couleur » cher à la Chromodynamique Quantique. Ces quarks sont « colorés » cest-à-dire quils portent un nombre quantique de « couleur » cher à la Chromodynamique Quantique. On ne peut pas observer ces quarks à létat libre; cest le phénomène de confinement de la couleur. On ne peut pas observer ces quarks à létat libre; cest le phénomène de confinement de la couleur. Les particules observées dans la nature sont non colorés !! Les particules observées dans la nature sont non colorés !!

14 A la limite où les quarks sont très proches les uns des autres, linteraction tend vers zéro, cest ce quon appelle « la liberté asymptotique » La constante de couplage devient très petit et on peut utiliser le développement en série de perturbation en puissance de cette constante de couplage comme en QED (voir prix Nobel de Physique 2004). Cest le domaine de la QCD perturbative. A la limite où les quarks sont très proches les uns des autres, linteraction tend vers zéro, cest ce quon appelle « la liberté asymptotique » La constante de couplage devient très petit et on peut utiliser le développement en série de perturbation en puissance de cette constante de couplage comme en QED (voir prix Nobel de Physique 2004). Cest le domaine de la QCD perturbative. Plus les quarks sont éloignés les uns des autres, plus leur interaction est forte. Plus les quarks sont éloignés les uns des autres, plus leur interaction est forte. Au contraire, pour lélectromagnétique, linteraction tend vers zéro quand la distance tend vers linfini. Au contraire, pour lélectromagnétique, linteraction tend vers zéro quand la distance tend vers linfini. Cette caractéristique de la QCD est à lorigine du Confinement des quarks à lintérieur des hadrons. Les quarks ne peuvent pas etre libres. Cette caractéristique de la QCD est à lorigine du Confinement des quarks à lintérieur des hadrons. Les quarks ne peuvent pas etre libres. Cest le domaine non perturbatif ( grande distance ou basse énergie) que la QCD sur réseau est la solution ab initio pour Cest le domaine non perturbatif ( grande distance ou basse énergie) que la QCD sur réseau est la solution ab initio pour traiter linteraction forte. traiter linteraction forte.

15 La Chromodynamique Quantique (QCD) Dans la QCD, linteraction forte est expliquée comme léchange de gluons entre les quarks possédant une « charge de couleur ». Dans la QCD, linteraction forte est expliquée comme léchange de gluons entre les quarks possédant une « charge de couleur ». Les leptons sont neutres de couleur et ignorent linteraction forte. Les leptons sont neutres de couleur et ignorent linteraction forte. Les gluons de masse nulle sont colorés et peuvent intéragir entre eux. Les gluons de masse nulle sont colorés et peuvent intéragir entre eux. Dans le cadre de la théorie des groupes, la QCD est décrite par le groupe SU(3)c. Dans le cadre de la théorie des groupes, la QCD est décrite par le groupe SU(3)c. Le groupe du modèle standard est : Le groupe du modèle standard est : SU(3)c X SU(2)L X U(1) SU(3)c X SU(2)L X U(1)

16 Modèle standard de la physique des particules Cest une théorie quantique des champs (quantique et relativiste) Cest une théorie quantique des champs (quantique et relativiste) Le modèle standard (SM) englobe toutes les particules connues ainsi que les 3 interactions ( électromagnétique, faible et forte) Le modèle standard (SM) englobe toutes les particules connues ainsi que les 3 interactions ( électromagnétique, faible et forte) La Gravitation quantique ne fait pas partie du modèle standard actuel ; cependant un espoir viendrait peut-etre de la théorie des « SuperCordes » !!! La Gravitation quantique ne fait pas partie du modèle standard actuel ; cependant un espoir viendrait peut-etre de la théorie des « SuperCordes » !!! « Théorie unifiée des quatre interactions » ? « Théorie unifiée des quatre interactions » ?

17 Les particules élémentaires du modèle SM sont au nombre de 24 12 Bosons de spin 1 qui sont des particules « messager de linteraction » : 12 Bosons de spin 1 qui sont des particules « messager de linteraction » : 8 gluons qui transmettent linteraction forte 8 gluons qui transmettent linteraction forte Les bosons chargés W (+ et -), le Z° neutre et le photon qui transmettent linteraction électrofaible (electromagnétique et faible) Les bosons chargés W (+ et -), le Z° neutre et le photon qui transmettent linteraction électrofaible (electromagnétique et faible) 12 fermions de spin ½ : 12 fermions de spin ½ : 6 quarks (u,d,s,c,b,t) et leurs anti-quarks qui forment les particules composites, les Hadrons. 6 quarks (u,d,s,c,b,t) et leurs anti-quarks qui forment les particules composites, les Hadrons. 6 Leptons (électron,muon,tau, neutrino electronique,neutrino muonique et neutrino tau) et leurs anti-leptons. 6 Leptons (électron,muon,tau, neutrino electronique,neutrino muonique et neutrino tau) et leurs anti-leptons.