Particules et interactions

Particules et interactions
Bref état des lieux de la physique des particules
S
Transparents : L. Valery, E. Busato, F. Badaud
De quoi est fait le monde ?
S Question qui a occupé (et occupe encore) bien des gens
S Visions des grecs anciens (Empédocle)
S 4 éléments : le feu, la terre, l’air et l’eau
S 2 forces : l’amour et la haine
S Concept d’atome (Démocrite )
S Indivisibles et immuables
S Petits, élémentaires et pleins, entourés de
vide dans lequel ils peuvent se déplacer
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Révolution scientifique
XVIIème XVIIIème siècles
S Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée,
Pascal, etc.)
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ème
XIX siècle
S Mendeleïev
S Dalton : chaque élément est un atome différent
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Structure de l’atome
Atome constitué de deux parties :
 Électrons
 Noyau
~10-10 m
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Le noyau atomique
S Le noyau n’est pas insécable
S Constitué de protons et de neutrons
A
Z
X
S Protons et neutrons composés de
quarks
~10-14 m
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Structure des nucléons
S Protons et neutrons composés de 3 quarks
~10-15 m
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La matière à l’échelle subatomique
Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires
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Interactions fondamentales
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Qu’est-ce qu’une interaction ?
Isaac Newton
Vision classique : action instantanée à distance
Vision moderne : échange de particules
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Interaction électromagnétique
S Existe entre des particules qui portent des charges électriques
S Exemple : interaction entre électrons
S Particule médiatrice de cette interaction : PHOTON
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Exemple interaction entre 2
e
e
e
 Interaction entre les électrons pas instantanée
 Une particule est échangée : elle porte l’interaction
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Interaction forte
Quark
Quark
u
 Assure la cohésion du noyau
d
 Particules médiatrices :
GLUONS
 Ces derniers agissent comme
de la « colle »
Quark
u
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Interaction faible
S Existe entre toutes les particules
S Exemple : désintégration radioactive β
S Particules médiatrices :
W+, W-, Z
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Radioactivité β
Radioactivité: Phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux
atomiques instables se transforment spontanément en dégageant
de l'énergie sous forme de rayonnements divers
60
60
27 protons
33 neutrons
28 protons
32 neutrons
Co ®
neutron
+
-
Ni + e + n
proton + e- +ν
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Radioactivité β
Médiateur de l’interaction faible : le W
u
d
d
u
d
u
We-
ν
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Résumé
2 types de particules
Particules de matière
(quarks, électrons, neutrinos)
Particules d’interaction
(photon, gluons, W+, W-, Z)
 fermions
 bosons
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Fermions
Bosons
Le modèle standard
de la physique des particules
S
19
Le Modèle Standard
Modèle
Standard
S Modèle Standard décrit les particules
élémentaires et leurs interactions
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Symétrie
grande précision
Quantique
S Testé expérimentalement avec une
Relativé
S Elaboré dans les années 1960-70
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Et le boson de Higgs ?
S Masse : quantifie l’inertie d’un corps
S Boson de Higgs confère de la masse à certaines particules
S Plus l’interaction avec le Higgs est forte, plus la masse est grande
S Particule de masse nulle (ex : photon) n’interagit pas avec le boson de Higgs
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Conclusions
S 2 types de particules : matière (fermions) et interaction (bosons)
S Boson de Higgs responsable de la masse des particules
S Théorie actuelle qui décrit tout cela : Modèle standard
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Histoire de
l’univers
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Matière et énergie noire
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Quelques questions en suspens

Les particules élémentaires sont-elles vraiment élémentaires ?

Y-a-t’il des dimensions supplémentaires ?

Existe-t-il d’autres particules et d’autres interactions ?

Que sont la matière et l’énergie noire ?

…
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BACKUP SLIDES
ALWAYS USEFUL !!
S
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Des particules comme s’il en
pleuvait …
 Supernovaes : émission de protons
(cosmiques)
 Entrée dans l’atmosphère … le
nombre de particules augmente
rapidement  gerbe
 On a trouvé, dans ces gerbes des
particules inconnues jusqu’alors.
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Un bref historique
S
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Un bref historique (1/4)
S 1898 : Découverte de l’électron (J.J. Thomson) : la première particule
S 1905 : Explication de l’effet photoélectrique (A. Einstein)
S Photon = Quantum de lumière
S 1919 : Découverte du proton (E. Rutherford)
S 1921 : Réalisation du fait que l’existence du noyau atomique est liée à
l’interaction forte
S 1923 : Découverte de l’effet Compton
S Les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des particules
S 1928: Equation de Dirac (prédiction de l’existence du positron)
S 1930 : Prédiction de l’existence du neutrino (E. Fermi, désintégrations )
S 1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)
Un bref historique (2/4)
S 1932- 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion.
S 1946-1950 : Formulation de la théorie quantique de l’électromagnétisme
(QED)
S 1951 : Découverte des particules « étranges » (quark s)
S 1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan)
S 1954 : Invention des théories de jauge non-abéliennes (Yang-Mills)
S Théorie de l’interaction forte (QCD)
S 1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu)
S 1962 : Découverte de neutrino muonique
S Plusieurs « familles » de particules aux propriétés comparables
Un bref historique (3/4)
S 1960-1970: Découverte de centaines de particules
S Réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks
S 1964 : Découverte de la violation de CP (symétrie matière-antimatière)
S 1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible
(Glashow, Salam, Weinberg) → Les débuts du Modèle Standard
S 1974 : Découverte de la résonance J/ψ (quark c)
S 1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b)
S Troisième famille de quarks
S 1976 : Découverte du lepton
S Troisième famille de leptons
S 1979 : Première trace expérimentale des gluons (PETRA à DESY)
Un bref historique (4/4)
S 1983 : Découverte des bosons W et du Z au CERN
S 1990-2000 : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN grâce au LEP
(collisionneur e+e- ; le LHC utilise le tunnel du LEP)
S Trois familles de neutrinos légers, prédiction de la masse du quark top…
S 1989 : Premières discussions sur la construction du LHC
S 1995 : Découverte du quark top à Fermilab
S 1998 : Découverte des oscillations de neutrinos à Super-Kamiokande
S Les neutrinos ont une masse non nulle
S 2000 : Découverte du neutrino tauique par l’expérience DONUT
(Fermilab)
S 2007 : Premières prises de données avec le LHC
Attitude scientifique
Attitude qui consiste à baser ses croyances sur des faits établis
plutôt que sur des désirs, des traditions et des préjugés
(Russell)
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