Physique des particules1 Sommaire Introduction à la physique subatomique Les sources de particules Interactions particules/matière Les détecteurs 0- PHYSIQUE.

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1 Physique des particules1 Sommaire Introduction à la physique subatomique Les sources de particules Interactions particules/matière Les détecteurs 0- PHYSIQUE DES DETECTEURS

2 Physique des particules2 Sommaire Les quarks et les leptons Les interactions fondamentales Un événement typique de Physique Le chemin historique de notre discipline I- INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DES PARTICULES ELEMENTAIRES

3 Physique des particules3 I- GLOSSAIRE DE LA MATIERE QUAND ON EPLUCHE LA MATIERE, on trouve, d’abord, des cellules (le vivant) et plus généralement des molécules. Microscope optique.cellules Les molécules sont des édifices composés d’atomes. C’est le domaine de la microscopie électronique.des édifices Dans un atome, il y a un noyau très dense avec un ou plusieurs électrons qui gravitent autour (L’électron est aujourd’hui une brique élémentaire).un atome Le noyau est composé de protons et de neutrons, qui forment l’essentiel de la masse des atomes. Un outil de scrutation peut être le cyclotron.noyau Les protons et les neutrons sont faits de quarks. Les quarks sont comme les électrons (les leptons) des briques élémentaires. C’est le règne des grands accélérateurs de particules.protons et les neutrons

4 Physique des particules4 I- DIMENSIONS CARACTERISTIQUES … LUMIERE ELECTRONS ELECTRONS ET PROTONS PROTONS ET ELECTRONS Etablir la relation entre longueur d’onde et énergie PROTONS

5 Physique des particules5 I- DIMENSIONS … ET RESOLUTION … L’ATOME VU PAR SVENSON CE QUE VERRAIT UN PHOTON DE LA LUMIERE CE QUE VERRAIT UN MICROSCOPE ELECTRONIQUE

6 Physique des particules6 I- RESOLUTION … DANS LE COSMOS LA NUIT ETOILEE VUE PAR VAN GOGH 10° CE QU’A VU LE SATELLITE COBE Résolution 10° CE QU’A VU LE BALLON ARCHEOPS Résolution 10’

7 Physique des particules7 I- CONSTITUANTS ELEMENTAIRES

8 Physique des particules8 I- … ET GLOSSAIRE DES FORCES LES 4 FORCES FONDAMENTALES Les protons et les neutrons forment le noyau par force (ou interaction) forte. Deux charges électriques se repoussent ou s’attirent par force électromagnétique. La propagation de la lumière est aussi électromagnétique. Et les aimants … Les désintégrations radioactives ou encore les réactions thermonucléaires du soleil se font par force faible. Enfin deux masses s’attirent par force gravitationnelle. L’ensemble des phénomènes physiques observés sont réductibles à l’une ou à un ensemble de ces 4 forces. Elles agissent à distance … l’une ou à un ensemble

9 Physique des particules9 I- QU’EST-CE QU’UNE FORCE ? Quand on essaie d’établir un enchaînement causal entre les expériences faites sur les corps, il semble d’abord qu’il n’y ait pas d’autres actions réciproques que celles par contact immédiat, par exemple : translation de mouvement par choc, pression ou traction, échauffement ou combustion mise en action par une flamme etc … Certes, déjà dans l’expérience journalière, la pesanteur, c’est-à-dire une force agissant à distance, joue un rôle important. Mais, comme dans l’expérience journalière la pesanteur apparaît comme quelque chose de constant, qui n’est point lié à une cause variable avec l’espace et le temps, […] sa faculté d’agir à distance ne se présente par conséquent pas à notre conscience […]. La théorie de Newton marque bien le pas le plus considérable qui ait jamais été réalisé par l’esprit humain dans son effort d’établir un enchaînement causal entre les phénomènes de la nature. Albert Einstein, 1920, Conférence sur L’éther.

10 Physique des particules10 I- EXEMPLES DE FORCES MACROSCOPIQUES LA LUMIERE EST ELECTROMAGNETIQUE, POUR CELUI QUI VOIT CLAIR ! ! ! CI-CONTRE : UN SAVANT MELANGE DE FORCES GRAVITATIONNELLE ET ELECTROMAGNETIQUE. LES FORCES ET PHENOMENES PHYSIQUES IMMEDIATS SONT D’ORIGINES ELECTROMAGNETIQUE OU GRAVITATIONNELLE. RETOUR

11 Physique des particules11 I- COMMENT ETUDIER LES FORCES ? NOM DE LA FORCEINTENSITE RELATIVE FORTE1 ELECTROMAGNETIQUE1/100 FAIBLE1/100000 GRAVITATION 1 milliardième de milliardième de milliardième de milliardième Le siège des forces fortes et faibles est typiquement le noyau atomique. C’est vers l’infiniment petit qu’il faut se tourner, donc vers les grands accélérateurs, pour les comprendre. Mais les constituants élémentaires sont insensibles à la gravitation. Elle ne s’étudie qu’à travers les systèmes de très grandes masses. Exercice: Comparaison des intensités relatives des forces grav. et EM

12 Physique des particules12 1)les constituants ultimes de la matière 2)les forces qui les lient 3)la dynamique sous-jacente de l’interaction LES PROPOS DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES SONT DE RECHERCHER : I- LA PHYSIQUE DES PARTICULES C’EST CE QUE LA PHYSIQUE A TOUJOURS FAIT

13 Physique des particules13 I- ILLUSTRATION 1 LE SYSTEME SOLAIRE ConstituantsForceDynamique sous- jacente Le soleil et les planètes GravitationLes lois du mouvement de Newton

14 Physique des particules14 I- ILLUSTRATION 2 LE SYSTEME ATOMIQUE ConstituantsForceDynamique sous- jacente Le noyau et les électrons ElectromagnétismeLes lois de la mécanique quantique (relativiste)

15 Physique des particules15 I- PHYSIQUE DES PARTICULES TROIS DES QUATRE INTERACTIONS FONDAMENTALES ConstituantsForceDynamique sous- jacente Quarks et leptons + Antiquarks et antileptons Electromagnétisme Interaction faible Interaction forte La théorie quantique des champs

16 Physique des particules16 I- LA DYNAMIQUE SOUS-JACENTE  q q e e W q q e g q q q q ELECTROMAGNETISME INTERACTION FAIBLE INTERACTION FORTE LES INTERACTIONS SONT COMPRISES COMME L’ECHANGE DE PARTICULES (LES BOSONS)

17 Physique des particules17 I- LA DYNAMIQUE SOUS-JACENTE LES INTERACTIONS SONT COMPRISES COMME L’ECHANGE DE PARTICULES (LES BOSONS)

18 Physique des particules18 I- RESUME : LES ACTEURS DES FORCES QUARKS ET LEPTONS  PHYSIQUE DES PARTICULES  3 FORCES  MODELE STANDARD PLANETES, ETOILES, TROUS NOIRS, GALAXIES  ASTROPHYSIQUE  1 FORCE  RELATIVITE GENERALE

19 Physique des particules19 Observation Généralisation et construction de lois physiques concepts abstraits / dynamique Postuler et Prédire des phénomènes Observation et retour en 2) f = G m1 m2m1 m2 r2r2 gggg I- L’ASTROPHYSIQUE - HISTORIQUE

20 Physique des particules20 Observation Généralisation et construction de lois physiques concepts abstraits/dynamique Postuler et Prédire des phénomènes Observation et retour en 2) I- LA PHYSIQUE DES PARTICULES - HISTORIQUE p n e MODELE STANDARD

21 Physique des particules21 LE MONDE (SIMPLIFIE) DE LA PHYS. DES HAUTES ENERGIES SLAC: PEPII / BABAR violation de CP FermiLab: TEVATRON/D0 et CDF généraliste CERN: LEP/LHC/ATLAS,CMS,LHCb,ALICE généraliste BNL: RHIC/PHENIX QGP. DESY: HERA/FLC/H1,ZEUS QCD perturbative CESR: CESR/CLEO étude détaillée du quark b. KEK: KEKB/BELLE violation de CP et neutrinos IHEP: BES tau/charm factory

22 Physique des particules22 LE MONDE (SIMPLIFIE) DE LA PHYS. DES HAUTES ENERGIES SLAC: découverte du quark charmé et du tau FermiLab: découverte des quarks beaux et top et du neutrino tau CERN: découverte des bosons W et du Z BNL: découverte du charme simultanément avec SLAC. DESY: découverte des gluons. CESR: étude détaillée du quark b. KEK: découverte des oscillations de neutrinos. IHEP: étude détaillée du tau et du charme.

23 Physique des particules23 I- UN EVENEMENT TYPIQUE DE PHYSIQUE

24 Physique des particules24 I- UN EVENEMENT TYPIQUE DE PHYSIQUE B0B0 d b b g q b q q q q q q q s B0B0 s g q q q q q q q q b e e

25 Physique des particules25 I- HISTOIRE ET AVENIR GRAV. TERR. GRAV. CEL. OPTIQUE ELECTRICITE SUPERSYMETRIE RELATIVITE GENERALE I. FORTE I. FAIBLE ???? GRAV. UNIVERS. MAGNETISME MODELE STANDARD ELECTROMAGNETISME