1 Physique des particules fondamentales des interactions Bibliographie 1.*Introduction to High Energy Physics 4th edition D. Perkings (Cambridge) 2.*Introduction.

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1 1 Physique des particules fondamentales des interactions Bibliographie 1.*Introduction to High Energy Physics 4th edition D. Perkings (Cambridge) 2.*Introduction to Elementary Particles D. Griffith (Wiley) 3.The Physics of Particle Detectors O. Green (Cambridge) 4.Quarks and Leptons F. Halzen and A. Martin (Wiley) 5.Particle Physics B. Martin et G. Shaw (Wiley) CERN : École d’été http://humanresources.web.cern.ch/HumanResources/external/ recruitment/Summies/default.asp Le but de notre cours - étudier les propriétés des particules élémentaires - étudier les forces (champs) entre les particules quantique, dont le mécanisme de base est l’émission d’un quantum.

2 2 Chapitre 1 - Introduction 1.1Les particules élémentaires - quelles sont-elles ? 1.2Pourquoi fait-on des interactions à haute énergie ? 1.3Classification des QUARKS et des LEPTONS 1.4Les forces dans les interactions entre les particules élémentaires 1.5Les unités 1.6La cinématique 1.7Les antiparticules 1.8Représentation pictorielle des interactions : les diagrammes de Feynman

3 3 1.1 Les particules élémentaires a)Une particule élémentaire est une particule sans structure connue - on dit également « point like ». b)La définition d ’une particule élémentaire a évolué avec le temps : par exemple, entre 1900 et 1960, les nucléons (proton, neutron) étaient considérés comme élémentaires particules élémentaires = un résultat des avances c)Selon notre connaissance actuelle, les particules élémentaires sont : - Les particules (FERMIONS, spin ) - Les « bosons de jauge », les quanta des champs pour la transmission des forces entre les particules (BOSONS, spin 1) (spin2). Les PARTICULES sont : générations leptons : familles quarks :. Les BOSONS sont :quantaforce / champ  électromagnétique W ±, Zfaible gluonforte gravitongravitation théoriques expérimentales

4 4 1.2 Pourquoi les hautes énergies a)La résolution de structure. la séparation (  r) des fentes dans une grille de diffraction, soit :. La longueur d’onde d’une particule d’impulsion est :. Donc, Si q = 10 GeV/c,  r ~ 10 -16 m. Maintenant, donc, pour q = 10 GeV/c, « Collision élastique » q = transfert d’impulsion remarque : les unités

5 5 1.2 (2) Pourquoi les hautes énergies b)La création de nouvelles particules. E = mc 2 Pour la création des nouvelles particules, il faut avoir suffisamment d’énergie. P. ex. antiparticule

6 6 1.3 Classification des LEPTONS et QUARKS a)Les LEPTONS - selon notre connaissance, - 3 FAMILLES b) Les QUARKS - selon notre connaissance, - 3 générations, les Quarks libres n’existent pas. Hypercharge : Y = B c + S + C + B + T

7 7 1.3 (2) Classification des LEPTONS et QUARKS c) Leptons - chaque famille a un nombre quantique conservé dans toutes les interactions (mais : oscillation des neutrinos) - ?  expérience dès 1995 - dans les atomes - également - - au contraire - particules avec et sans structure. AUTRE FAMILLES ? AUTRES GENERATION ? d) Quarks -

8 8 - Pas libre selon nos connaissances - recherches ! - Les baryons et les mésons sont composés des quarks (à voir : PDG) par exemple : QSCB q puud1000 nudd0000 baryon  uds0-100  udc1010  + 1000  0 0000 mesons K - -10-10 1110 V0000 # baryon = charge q =

9 9 1.4Quelles sont les forces ? a)Il y a 4 forces connues dans la nature; avec chaque force, il y a une théorie (de jauge) associée. A l’exception de la gravité, chaque théorie est une théorie quantique ayant une particule d’échange (on dit « gauge particle » ou « boson de jauge » : J P =(1) - b)La théorie de l’électrodynamique quantique a été développée dans les années 1930-40 (Tomonaga, Feynman, Schwinger) - invariant avec les transformation de Lorentz - quantisé, avec PHOTON (  ) comme quanta d’échange time - Les interactions impliquent l’émission d’un quanta par le LEPTON chargé ou le QUARK, et l’absorption du quanta par une autre : time vertex (  ) Feynmann -Symbolique - Compacter ces 2 diagrammes -Sera utilisé plus tard pour les calculs

10 10 -Les lignes EXTERNES sont réelles, les lignes internes montrent le processus -Conservation de l’énergie et impulsion à chaque vertex (mais ) - Une particule qui se reverse en temps sera une anti-particule c)En utilisant les dessins de Feynman : t

11 11 AUSSI : annihilation des paires création des paires diffusion Compton d)PLUS LOIN : vide e)On a des LOIS de CONSERVATION pour les interactions EM : e.g. charges (à discuter plus tard) # baryonique, leptonique (e, , z) couleur cinématique EM x  q = 0 e v u v q  0 d v

12 12 f)Les forces fortes (quantum Chromodynamique, QCD) - charge  color gluon = quanta d ’échange : m g = 0 La force forte réagit sur les QUARKS, la color leptonique = 0 qcolor 0 x e-1 xRED u+2/3 v. les quarks ont une couleur BLUE d-1/3 vGREEN. les gluons ont une couleur (contraire au cas EM) e.g.. il y a 8 gluons : - puisque le gluon porte la couleur, les vertex de « self interaction » sont possibles. et - liberté asymptotique. Pour QED  em augmente à petite distance. Pour QCD  qcd augmente à grande distance  confinement des quarks. La couleur des hadrons libres et des leptons est =0

13 13 g)La Force Faible chargescharge faible - les quarks et les leptons portent la « charge faible » - Les quanta de transmission sont le W  et le Z 0  donc, courte distance par exemple MAIS par exemple :

14 14 g) cont. La Force Faible - En principe, les interactions faible réagissent dans une seule génération. (conservation de nombre leptonique pour chaque famille) - MAIS, ce n’est pas le cas : par exemple (donc s  uW - ) - jusqu’à environ 1996, c’était connu seulement pour les quarks quarks mécanisme GIM (1970) KM (1973), où la force réagit avec : - plus récemment, les transitions ont été identifiées, donc

15 15 g) cont. La Force Faible - dans la théorie, GWS (Glashow - Weinberg - Salam), et h) Evolution des constants de couplage (GUT)

16 16 1.5Les Unités et les Dimensions a)Nous avons les valeurs de distance énergie … ayant l’utilité de, c avec des calculs « gênants » dans le système MKS ou cgs des unités. Puisque et c sont des constantes, nous adoptons un système des unités naturels dans lesquelles = 1 et c = 1. Valeurs MKS Dimension c 2.998  10 8 ms -1 [LT -1 ] 1.055  10 -34 Js [ML 2 T -1 ] Pour compléter la définition, nous choisissons comme unité d’énergie les eV (ou GeV). E eV =1.602  10 -19 J [M L 2 T -2 ] b)En utilisant ces unités, les masses (M), longueur (L) et temps (T) pourront être écrits en unités d’énergie. [M] = [E] / [c 2 ] [L] = [ ] / [E](E = hv) [T] = [ ] / [E] En général, si une quantité  à dimension [  ] = [M] p [L] q [T] r, nous pourrons écrire [  ] = [E] p-q-r

17 17 c) Comment faire les conversions : - restaurer, c par les arguments de dimension - utiliser les conventions - p. ex MASS (1 GeV = 1.782  10 -27 kg) - p. ex LONGUEUR (1 GeV -1 = 1.197 fm) - p. ex TEMPS (1 sec = 1.52  10 24 GeV -1 )

18 18 1.6 Cinématique relativiste a) La physique des particules étudie les interactions, les désintégrations des particules ayant des impulsions relativistes. Il faut donc utiliser les transformations relativistes. b)Les lois de la physique sont : - indépendantes du système de référence - c = constant dans chaque système inertial - le métrique d’espace temps est vectorielle c)S : événement à (x, y, z) et t S : quelles sont les coordonnées (x, y, z) et t 1. Simultanéité - 2 événements en - dans 2.Contraction - une règle en repos, longueur en (x-axis) - dans L = 3. Dilatation de temps - Intervalle en système p.ex désintégration - en, l’intervalle devient

19 19 e) Les quadi-vecteurs - si - l’invariant de Lorentz devient : contravariant covariant - également : - si

20 20 f)L’impulsion et le quadri-vecteur - Nous avons parlé d’un intervalle de temps en référentiel Vu dans le système S, Si est le « temps propre », et dt est le temps dans le référentiel « laboratoire » de l’observateur : - La quantité dans le système est la vélocité. Nous pouvons également définir x dans le référentiel laboratoire d  = « le temps propre »  transformera comme x Aussi : Donc et

21 21 - si g) les variables s, t, u - Les contraintes : 16 variables 4 contraintes Orientation/ 6 contraintes translation 2 variables Donc :

22 22 - nous choisissons les variables - La variable s (c.m. énergie) 2 de la collision

23 23 1.7Les Antiparticules a)Pour chaque particules, une antiparticule de la même masse, mais d’une charge opposée - quarks - hadrons - Dans le cas des bosons, les particules pourront être leurs propres antiparticules (mais pas toujours) - Ce résultat mène directement à la nécessité de réconcilier la mécanique quantique avec la cinématique rélativiste. b)Pour une particule libre ayant une impulsion p, (de Broglie) Comme solution de l’équation de Schrödinger Au niveau relativiste (Klein-Gordon) ou c)Résolution par Dirac (1928) prédiction du positron.

24 24 d) Dirac : (nous reviendrons sur ce sujet plus loin dans le cours) - Il a essayé de résoudre le problème relativiste en utilisant les équations de 1er ordre. - il a proposé un Hamiltonian - il a résolu le problème avec …. -

25 25 e)Que faire avec les énergies négatives - Dirac - mer des états E < -mc 2, complètement occupé (par des électrons) - dans chaque état - états (+)ve non occupés - mesuré comme le vide - résultat : - transitions des états (+)ve exclues - si on sort une particule de la mer - … f)Ré-interprétation par Feynman et Stückelberg (1940’s) - Pour chaque particule  une antiparticule, avec la même masse, mais charge opposée. - dans le cas des bosons, une particule pourra être sa propre antiparticule. par exemple :

26 26 g)Une conséquence : « crossing symmetry » tableau

27 27 h)Une conséquence : Diffusion COMPTON : Production paire : interdite : consommation d’énergie mais :