Une esquisse de la physique des particules : - des atomes
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Une esquisse de la physique des particules : des atomes antiques à la physique moderne Loı̈c Villain Laboratoire de Mathématiques et Physique Théorique, Université F. Rabelais de Tours [email protected] Lycée Vaucanson, le 05 avril 2012 Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 1 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Physique et cartographie du monde Physique : tentative de compréhension du monde (du plus proche au plus lointain, du plus gros au plus petit) et des lois qui le gouvernent construction de modèles ( cartes ) et confrontation avec le réel trouver le simple et universel derrière le complexe et particulier Galilée (1564–1642) : La philosophie est écrite dans cet immense livre que nous tenons toujours ouvert sous nos yeux, je veux dire l’univers. Nous ne pouvons pas le comprendre si nous n’avons pas cherché à l’avance à en apprendre la langue, et à connaı̂tre les caractères au moyen desquels il a été écrit. Or il est écrit en langue mathématique, et ses caractères sont des triangles, des cercles et des figures géométriques, sans lesquels il serait impossible à tout homme d’en saisir le sens. Koestler (1905–1983) : C’est une erreur flagrante que d’assimiler la science à la raison pure et à la logique, comme l’art à l’intuition et à l’émotion. Nulle découverte n’a jamais été faite par déduction logique, aucune œuvre d’art sans calcul, ni métier ; dans l’une comme dans l’autre interviennent les jeux émotifs de l’inconscient. ( Le cri d’Archimède ). Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 2 / 51 Avertissement (Richard Feynman, Nobel de physique 1965) ce que je vous raconte là, c’est une espèce de saga conventionnelle que les physiciens racontent à leurs étudiants, lesquels à leur tour la racontent à leurs étudiants, et ainsi de suite. Ça n’a pas forcément grand-chose à voir avec le développement historique réel de la physique... que j’ignore évidemment ! → brève histoire approximative de certains concepts physiques et de leur modélisation Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 3 / 51 Plan 1 La reconnaissance des atomes Grèce antique Physique classique Atomes et chimie 2 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière Électromagnétisme 3 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique 4 Noyaux atomiques et physique des particules Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 4 / 51 La reconnaissance des atomes 1 La reconnaissance des atomes Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 5 / 51 La reconnaissance des atomes Grèce antique 1 A : Grèce antique Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 6 / 51 La reconnaissance des atomes Grèce antique Matière discrète ou continue question de la divisibilité de la matière ? → matière discrète ou continue ? Constitution de la matière et ses théories Empédocle (−490 – −435 ?) : quatre éléments (Eau, Terre, Feu, Air) ; Platon : solides platoniciens (polyèdres réguliers et convexes) ; quatre qualités élémentales pour Aristote (monde sublunaire) + cinquième élément, la quinte essence ou l’éther, pour le Cosmos → vision continue → pas de vide. Loı̈c Villain (LMPT) Solides platoniciens 05 Avril 2012 7 / 51 La reconnaissance des atomes Grèce antique Atomes antiques Limite à la divisibilité de la matière (Démocrite, −460 – −370) Si tout corps est divisible à l’infini, de deux choses l’une : ou il ne restera rien ou il restera quelque chose. Dans le premier cas la matière n’aurait qu’une existence virtuelle, dans le second cas on se pose la question : que reste-t-il ? La réponse la plus logique, c’est l’existence d’éléments réels, indivisibles et insécables appelés donc atomes. Démocrite suppose l’existence de différents types d’atomes crochus domination de la science d’Aristote → idée des atomes (presque) oubliée pendant longtemps... Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 8 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique 1 B : Physique classique Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 9 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique Newton et la dynamique : les Principia Sir Isaac Newton (1642 – 1727) Père de la dynamique (étude des causes du changement dans le mouvement des corps), nombreuses contributions importantes à divers domaines, premier physicien moderne → étudie le mouvement de corpuscules Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1686) : [1] Principe d’inertie : tout corps reste au repos ou bouge à vitesse constante le long d’une trajectoire rectiligne, à moins qu’une force n’agisse sur lui. Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 10 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique Principe fondamental de la dynamique Lois de la dynamique : [2] Force = Inertie × Accélération La même force exercée peut résulter en des accélérations très différentes selon l’inertie Loı̈c Villain (LMPT) [3] Principe d’action/réaction 05 Avril 2012 11 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique Gravitation universelle Gravitation avant Newton séparation de nature entre mondes sublunaire et céleste lois de Kepler : description globale du mouvement des planètes Gravitation dans les Principia force gravitationnelle universelle entre masses même action de la Terre sur une pomme ou sur la Lune Tests et conséquences de la loi explications : lois de Kepler, phénomène des marées, etc. prédictions : forme de la Terre, retour de la comète de Halley, Neptune, etc. Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 12 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique Matière et corpuscules Univers mécanique la dynamique newtonienne décrit aussi bien le mouvement des planètes que celui de l’eau qui coule elle décrit l’univers comme un système mécanique déterministe les masses ponctuelles interagissent entre elles grâce à des forces de contact 1733 : Daniel Bernoulli explique la pression et la température des gaz à l’aide d’un modèle de collisions de corpuscules Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 13 / 51 La reconnaissance des atomes Physique classique Matière versus force Action à distance et champ de force la gravitation est un peu différente car les masses créent un champ de force qui existe en tout point (action à distance) opposition entre la matière (discrète selon Newton) et le champ de force (continu) Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 14 / 51 La reconnaissance des atomes Atomes et chimie 1 C : Atomes et chimie Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 15 / 51 La reconnaissance des atomes Atomes et chimie Les atomes chimiques Chimie du XVIIIème mesure de quantités de matière lors de réactions chimiques avec gaz → principe de conservation de la masse (célèbre citation de Lavoisier) Lavoisier, 1785 : décomposition de l’eau → notion de molécule (Avogadro en 1811) 1804 : loi des proportions multiples (1 volume de dihydrogène et 1 volume de dichlore → deux volumes chlorure d’hydrogène) par Dalton Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 16 / 51 La reconnaissance des atomes Atomes et chimie Table périodique des éléments Mendeleiev 1869 : éléments classés selon leur masse et leurs propriétés chimiques masses des atomes = multiples de la masse de l’hydrogène (plus léger) prédiction de nouveaux éléments (cases vides) Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 17 / 51 Lumière et électromagnétisme 2 Lumière et électromagnétisme Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 18 / 51 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière 2 A : Nature de la lumière Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 19 / 51 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière Optique avant Newton Nature de la lumière ? Grèce antique : rayon éclairant envoyé par l’œil ou information émise par l’objet lumineux ? Vers 980-1030, Alhazem et Ibn Sahl (Perses, Irak actuel), puis Snell (1621) et Descartes (1637) : réflexion et réfraction → modélisation par des rayons lumineux origine des différentes couleurs ? Illustration de la réfraction : changement de milieu → déviation Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 20 / 51 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière Newton et l’optique 1669 : lumière blanche composée → notion de spectre modélisation corpusculaire couleur différente ↔ particules de vitesse différente réfraction due à une force réfringente qui agit près de la surface Modèle de Newton de l’optique → la lumière se comporte comme les objets matériels mais vitesse élevée (∼ 300 000 km/s mesurée vers la fin du XVIIème ) Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 21 / 51 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière Limitations de l’optique corpusculaire optique newtonienne imparfaite pour expliquer biréfringence et interférences ( lumière + lumière = obscurité ) 1678-1690,Huygens : modèle ondulatoire convient Interférences Loı̈c Villain (LMPT) Biréfringence : dédoublement d’un rayon lumineux au travers de certains cristaux 05 Avril 2012 22 / 51 Lumière et électromagnétisme Nature de la lumière Optique ondulatoire : progrès et oublis... optique ondulatoire rencontre de grands succès (explique aussi diffraction) : Fresnel, Young, etc. optique corpusculaire oubliée pendant plus de 100 ans... Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 23 / 51 Lumière et électromagnétisme Électromagnétisme 2 B : Électromagnétisme Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 24 / 51 Lumière et électromagnétisme Électromagnétisme Électricité et magnétisme électricité statique et magnétisme connus depuis l’Antiquité (ambre = électron en grec ancien ; magnétite = roche) ; 1600, Gilbert : expériences et théories sur le magnétisme et l’électricité → possibilité de stocker le fluide électrique ; 1734, DuFay : deux types d’électricité (deux signes possibles) ; 1771, Galvani : électricité animale ; 1785, Coulomb : force entre charges électriques → opposés s’attirent ; 1800, Volta : pile voltaı̈que. Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 25 / 51 Lumière et électromagnétisme Électromagnétisme Électromagnétisme 1820, Ørsted : courant électrique dévie une boussole → lien entre électricité et magnétisme ; 1831, Faraday : notion de champ magnétique ; 1864, Maxwell : théorie de l’électromagnétisme (champs électrique et magnétique) → influence réciproque → ondes électromagnétiques Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 26 / 51 Lumière et électromagnétisme Électromagnétisme Lumière et ondes électromagnétiques force entre charges et courants électriques : une charge (ou un courant) est source de champ électromagnétique qui agit sur l’autre charge (ou courant) 1864, Maxwell : ondes électromagnétiques se propagent à 300 000 km/s → lumière visible = onde électromagnétique ! Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 27 / 51 Lumière et électromagnétisme Électromagnétisme Bilan provisoire (deuxième moitié du XIXème ) il existe (probablement) des atomes et molécules, masse et parfois une charge électrique corpuscules ayant une il existe des champs de force , le champ gravitationnel et le champ électromagnétique (omniprésents/continus) champs créés par la matière et agissent en retour sur elle le champ gravitationnel se manifeste surtout aux grandes échelles le champ électromagnétique agit dans beaucoup de phénomènes microscopiques la lumière = oscillation du champ électromagnétique Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 28 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique 3 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 29 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Électricité et rayons cathodiques 1838, Faraday : rayons cathodiques dans gaz ∼ fluide électrique ; 1897, Thomson : rayons cathodiques formés de corpuscules, des électrons, de masse faible devant celle des atomes et de charge électrique négative → électrons inclus dans les atomes ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 30 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Les atomes ne sont pas insécables 1904, Thomson : modèle du pudding ; force électromagnétique responsable de la cohésion des atomes ; modèles d’atomes proposés avant même la reconnaissance de leur existence (Einstein, 1905 : explication du mouvement brownien ; 1906 : suicide de Boltzmann) Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 31 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Expérience de Rutherford 1911, Rutherford : projectiles (noyaux d’hélium) lancés vers feuille d’or : la plupart passent sans être déviés mais certains font demi-tour → la matière est principalement faite de vide ! Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 32 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Modèle de Rutherford Modèle atomique planétaire noyau central chargé positivement électron(s) en orbite de charge négative atome 100 000 fois plus grand que noyau... problème : perd de l’énergie selon Maxwell → atome instable ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 33 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Spectre de l’atome d’hydrogène spectres de gaz contiennent des raies (d’absorption ou d’émission) raies caractérisent la composition chimique 1913, Bohr : orbitales atomiques quantifiées → orbites interdites atome de Bohr Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 34 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Hypothèse de de Broglie quantification de l’énergie dans les atomes : constatée mais incomprise 1923, de Broglie : analogie avec une corde vibrante → onde de matière λ inversement proportionnelle à vitesse → dualité onde-corpuscule ! Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 35 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Photons et effet photo-électrique 1905, Einstein : effet photo-électrique se comprend bien en supposant qu’il existe des particules lumineuses avec λ inversement proportionnelle à E → prix Nobel de physique en 1921 1926, Lewis : photon lumière parfois onde (interférence, diffraction), parfois particule ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 36 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules et les champs soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 37 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules et les champs soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? exemple similaire : que peut être un système si parfois on voit un rectangle et parfois un disque quand on l’observe ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 37 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Dualité onde-particule selon l’expérience il faut décrire les particules et les champs soit comme des corpuscules, soit comme des ondes : → principe de complémentarité (1927 : diffraction d’électrons) besoin d’un changement de paradigme ( dialectique ) ? exemple similaire : que peut être un système si parfois on voit un rectangle et parfois un disque quand on l’observe ? → description des particules quantiques par de nouveaux objets mathématiques Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 37 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Indétermination et onde de probabilité observation change le résultat limite intrinsèque sur la précision → indétermination de Heisenberg (ex. : position / vitesse) 1926 : équation de Schrödinger 1926 : interprétation probabiliste de Born (proba. ∝ carré de l’onde) → plus de déterminisme version moderne : atome quantique avec probabilité de présence Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 38 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Indéterminisme quantique et fluctuations Vide quantique le vide au sens classique est trop déterminé → vide quantique fluctuant (particules virtuelles) → aux petites échelles on voit des fluctuations quantiques Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 39 / 51 Comment la lumière vint tout obscurcir : la physique quantique Nouveau bilan (toujours valable) il faut décrire autant les corpuscules de matière que le champ électromagnétique par un champ quantique dualité onde-corpuscule s’applique à tout système physique plus l’énergie d’un système est élevée, plus la longueur d’onde associée sera petite (valable pour une masse donnée) → en accélérant des projectiles on va regarder à des distances de plus en plus petites Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 40 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules 4 Noyaux atomiques et physique des particules Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 41 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Les atomes ne sont pas éternels 1895, Röntgen : découverte des rayons X (produits par décharge de tubes cathodiques) ; 1896, Becquerel & les Curie : découverte de la radio-activité naturelle → plusieurs types de rayonnement (alpha, beta, gamma) ; 1901, Rutherford & Soddy : radio-activité = transmutation → les atomes sont-ils vraiment insécables ? Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 42 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Compréhension du phénomène : la relativité restreinte étude du champ électromagnétique (lumière) pour observateurs en mouvement relatif → invariance de la vitesse de la lumière solution : abandon des hypothèses d’un temps et d’un espace absolus → durée et longueur relatives à l’observateur ; la masse est l’une des formes prises par l’énergie : E = mc2 → possibilité de convertir du mouvement en masse et inversement... → seule l’énergie est conservée, pas la masse → radioactivité, création de particules, annihilation, antimatière, etc. impossible d’atteindre ou dépasser la vitesse c pour une particule de masse non nulle Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 43 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Structure du noyau Neutron et proton 1919, Rutherford : collisions entre particules alpha et noyaux azote → apparition de noyaux d’hydrogène → idée du proton (= noyau d’hydrogène) 1932, Chadwick : certains rayons contiennent des particules de masse similaire à l’hydrogène mais sans charge électrique : neutron noyaux = ensemble de neutrons et protons → explication des masses multiples de celle de l’hydrogène Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 44 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Nouvelles particules Rayons cosmiques 1912, Hess : atmosphère frappée en continu par des rayons cosmiques 1932, Anderson : découverte du positon (semblable à e− mais charge positive) → antimatière prédite peu avant par Dirac 1936, Anderson : découverte du muon (même charge que e− mais plus massif et instable) par la suite, collisions de particules → nombreuses autres... Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 45 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Nouvelles interactions Interactions nucléaires interaction électromagnétique explique quasiment tous les phénomènes observés (chimie, résistance des matériaux, etc.) cohésion des noyaux (neutrons et protons liés) → interaction nucléaire forte radioactivité beta : → interaction nucléaire faible → existence du neutrino : n → p + e− + ν̄ dans un cadre quantique : nouvelles particules d’interaction (∼ photon) Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 46 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Bestiaire du modèle standard Hadrons et leptons dans les années 1960 : ordre apparaı̂t dans les nombreuses particules observées proton, neutron et certaines autres ne sont pas fondamentales (les hadrons) mais composées de quarks électron, muon sont apparemment élémentaires (ce sont des leptons) plusieurs neutrinos élémentaires aussi (leptons aussi) n K , Loı̈c Villain (LMPT) 3 p , 3 05 Avril 2012 47 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules TABLEAU DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES DANS LE CADRE DU MODÈLE STANDARD NOYAU ATOME NUCLÉONS (Protons & Neutrons) MATIÈRE Quarks Électron QUARKS LEPTONS FERMIONS Pour la plupart, ces particules étaient présentes juste après le Big Bang. Aujourd'hui on ne les trouve que dans les rayons cosmiques et auprès des accélérateurs. BOSONS VECTEURS Particules fondamentales qui assurent la transmission des forces de la nature. BOSON DE HIGGS ? Loı̈c Villain (LMPT) prisonniers de particules plus grandes, ils ne sont pas observés individuellement. peuvent se déplacer librement Troisième famille Deuxième famille Première famille La matière ordinaire est composée de particules de ce groupe. HAUT ÉLECTRON NEUTRINO ÉLECTRON Responsable de l'éléctricité et des réactions chimiques. Sa charge est de -1. Sans charge électrique et interagissant rarement avec le milieu environnant. Sa charge électrique est -1/3e. Le Proton en contient 1, le Neutron 2. Sa charge électrique est + 2/3e. Le Neutron en contient 1, le Proton 2. MUON NEUTRINO MUON ÉTRANGE CHARME Un compagnon plus massif de l'électron. Propriétés similaires à celles du Neutrino électron. Un compagnon plus lourd du "Bas". Un compagnon plus lourd du "Haut" TAU NEUTRINO TAU BEAUTÉ VÉRITÉ ou TOP Un compagnon encore plus lourd que le Muon. Propriétés similaires à celles du Neutrino électron. Un compagnon encore plus lourd du "Bas". Hypothétique jusqu'en 1995, un compagnon encore plus lourd du "Haut" BAS PHOTON GLUON + BOSONS INTERMÉDIAIRES : W , W et Z ° Grain élémentaire de la lumière porteur de la force électomagnétique. Porteur de la force "forte" entre Quarks. Porteurs de la force "faible", responsables de certaines forces de désintégrations radioactives. Hypothétique Responsable de la "brisure de symétrie électro-faible" Hypothétique + W W ° Z GRAVITON ? 05 Avril 2012 48 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Questions ouvertes pourquoi 3 générations de particules ? relation entre charges électriques des particules → composants plus fondamentaux ? (cordes) théorie plus fondamentale expliquant les valeurs des masses et charges ? où est passée l’antimatière ? (lien avec la cosmologie primordiale) pourquoi violation symétrie gauche/droite ? existence du boson de Higgs prédit par la théorie de l’interaction faible pourquoi gravitation si faible à l’échelle des particules ? etc. Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 49 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Résumé et conclusion Évolution des connaissances en physique fondamentale les atomes existent mais ils ne sont pas insécables la nature est bien plus subtile qu’elle ne le semble au premier abord (aspect probabiliste, dualité onde-corpuscule, temps relatif, etc.) intuition quotidienne pratique mais sans vérité primordiale physique moderne va encore plus loin : → notion de particule obsolète → remise en cause de l’existence même du temps et de l’espace Pourquoi s’intéresser à la physique des particules ? comprendre la nature, notre place dans l’Univers, à coût raisonnable (LHC ∼ 2 euros par an par habitant des pays participants) profiter de ses retombées technologiques : laser et microélectronique issus de la physique quantique, antimatière utilisée au quotidien dans les hôpitaux, techniques d’imagerie implémentées en médecine (chambre à fils de Charpak, Nobel 1992), www né au CERN, etc. Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 50 / 51 Noyaux atomiques et physique des particules Quelques références - Cohen-Tannoudji & Spiro, 2008, Particules élémentaires et cosmologie : les lois ultimes ?, Éditions le Pommier - Damour, 2005, Si Einstein m’était conté, Le Cherche Midi - Feynman, 1999, Lumière et matière, une étrange histoire, Seuil - Greene, 2005, L’Univers élégant, Folio Essais, Gallimard - Mouchet, 2010, L’étrange subtilité quantique - Quintessence de poussières, Dunod - Scarani, 2006, Initiation à la physique quantique : La matière et ses phénomènes, Vuibert - Stannard & Gamow, 2007, Le Nouveau Monde de M. Tompkins, Éditions le Pommier - Vannucci, 2010, Le vrai roman des particules élémentaires, Dunod Loı̈c Villain (LMPT) 05 Avril 2012 51 / 51
