La Physique des Particules Élémentaires

La Physique
des Particules
Élémentaires
Une invitation au voyage...
« What I am going to tell you about is what
we teach our physics students in the third or
fourth year of graduate school... It is my task
to convince you not to turn away because you
don't understand it. You see my physics
students don't understand it... That is
because I don't understand it. Nobody
does. »
Richard P. Feynman, The Strange Theory of
Light and Matter
Plan
• En guise d’introduction: la quête du
fondamental
• Des réponses pour des questions
simples:
– De « quoi » le monde est-il fait ?
– Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• A quoi cela « sert »-il ?
• Et demain ? Les mystères non
La quête du fondamental
• Depuis la nuit des temps,
l’homme a cherché à
appréhender les briques
« fondamentales » de son
univers
• Fondamental = « simple », sans
« structure »
• « On connaît la couleur, On
connaît la douceur, On connaît
l'acidité, Mais en réalité il y a des
atomes et du vide. »
La quête du fondamental
• 19ème siècle: l’atome
• 1911: l’atome a une structure
interne, il est composé d’un
noyau, d’électrons et … de
vide!
• 1930: le noyau est lui-même
composé de protons et de
neutrons
• 1969: le proton, le neutron et
beaucoup d’autres particules
sont composés de quarks
Des réponses pour des questions
simples…
Depuis le début des années 70, les
physiciens des particules ont synthétisé
toutes leurs connaissances au sein d’un
modèle unique: le « Modèle Standard »
De « quoi » le monde est-il
fait ?
• De quarks
– Les quarks sont les
constituants élémentaires
(sans structure interne
connue) des protons, des
neutrons et de centaines
d’autres particules
– Ils portent une charge
électrique fractionnaire
– On en connaît à l’heure
actuelle 6 « saveurs »
différentes
– Chacun peut exister en trois
« couleurs »: rouge, vert ou
bleu
– Ils ne s’observent jamais
seuls, ils se regroupent en
particules « blanches »
De « quoi » le monde est-il
fait
?
• De leptons
– Il existe 6 leptons
différents: l’électron et
ses deux jumeaux (le
muon et le tau) ainsi que
3 neutrinos
– Ces particules portent
des charges entières et
n’ont pas de « couleur »
– Les neutrinos sont des
particules « fantômes »
qui interagissent très
peu et qui ont une
masse probablement
très faible
Aparté: l’énergie en physique des
particules
• L’unité d’énergie utilisée par les physiciens de
particules est « l’électron-volt »:
1 eV = 1,6 £ 10-19 J
• 100 TeV = 100 £ 1012 eV = Énergie dépensée
par un moustique pour s’élever de 1m!
• E=mc2, on exprime donc la masse des
particules élémentaires en E/c2, soit en
keV/c2, en MeV/c2 et en GeV/c2
• Masse d’un neutrino (' 0.1 eV) par rapport à
la masse du quark top (' 180 GeV) , masse
d’un grain de pollen par rapport à la masse
d’un porte-avions!
De « quoi » le monde est-il
fait ?
• De matière… et
d’antimatière!
– Chaque particule de
matière possède un
double de même
masse mais de charge
opposée: c’est
l’antimatière
– Lorsqu’une particule
rencontre son
antiparticule, elles
s’annihilent en pure
énergie
– De cette énergie
Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• Les bosons
intermédiaires
– Contrairement aux
fermions de la
matière (spin ½), les
bosons sont des
particules de spin 1
– Un boson
intermédiaire est une
particule à part
entière associée à
une des trois
•
Aparté: la quantité de
mouvement en physique des
particules
La quantité de mouvement d’un objet est
définie comme le produit de sa masse par
sa vitesse :
• Lorsqu’une force s’applique à cet objet,
sa quantité de mouvement varie
• Si aucune force extérieure ne s’applique,
la quantité de mouvement totale est
conservée
• Pour le système homme+bateau, on a
• Lors de la désintégration d’une particule
au repos en 2 autres particules, ces
dernières doivent donc porter des
impulsions de sens opposé
Aparté: la quantité de
mouvement en physique des
particules
• Les physiciens utilisent
souvent des « diagrammes de
Feynman » pour symboliser
l’échange d’un boson
intermédiaire entre deux
particules élémentaires
• Ce boson « transporte » une
certaine quantité de
mouvement d’une particule à
l’autre (ainsi qu’une certaine
quantité d’énergie cinétique
½(mv2)=p2/(2m) )
Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• L’interaction
électromagnétique
– Théorie unifiée de
l’électricité (e.g. des charges
opposées s’attirent) et du
magnétisme (e.g. une
boussole indique le nord)
– Le messager de l’interaction
électromagnétique est le
photon, composant
fondamental de lumière de
masse nulle
– Seules les particules
chargées sont sensibles à
Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• L’interaction faible
– Responsable, entre autres, de la
désintégration du neutron. C’est,
comparativement, la plus faible
des interactions en physique des
particules
– Les médiateurs de l’interaction
faible sont les bosons Z0, W+ et
W-, ces derniers sont, à l’inverse
du photon, très massifs (80-90
GeV)!
– La portée de l’interaction faible
est très limitée (¼ 10-18 m ! )
Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• L’interaction forte
– Elle permet aux protons du
noyau (de même charge !)
de rester « attachés »
ensemble
– Les médiateurs de
l’interaction faible sont
les gluons de masse nulle
– Seules les particules
« colorées » comme les
quarks et les gluons y sont
sensibles
Comment tout cela « tient »-il
ensemble ?
• L’interaction forte
– Sa portée est très limitée mais son intensité
augmente avec la distance
– Quand on tente des séparer un quark et un
antiquark, l’interaction entre eux devient
tellement importante que de leur énergie de
liaison peut se transformer en une nouvelle
paire quark-antiquark
A quoi cela « sert »-il ?
GPS
Relativité
Restreinte &
Générale,
A. Einstein
Laser
Mécanique
Quantique,
Ondes Radio
Electromagnétisme
J. C. Maxwell
E. Schrödinger
& autres
Et demain ? Les mystères non
résolus…
• Le boson de Higgs
– Dans le Modèle Standard certaines
symétries de la théorie interdisent aux
bosons intermédiaires d’acquérir une
masse
– Grâce à une « brisure spontanée » de ces
symétries, le problème peut être contourné
– Pour réaliser cette « brisure spontanée »,
une particule mystérieuse est nécessaire,
c’est le boson de Higgs.
– Cette particule reste introuvable pour
l’instant…
Aparté: Qu’est ce qu’une
« brisure spontanée » d’une
symétrie
• Situations symétriques
• Situations où la symétrie est brisée
« explicitement »
Aparté: Qu’est ce qu’une
« brisure spontanée » d’une
symétrie
• A partir d’un problème symétrique…
)
• …on peut obtenir des solutions qui ne
possèdent plus la symétrie !
)

Et demain ? Les mystères non
résolus…
• Pourquoi les particules d’une même
« famille » comme l’électron, le muon et
le tau ont-elles des masses si
différentes ?
• Pourquoi 3 « générations » dans
chaque famille ?
• Pourquoi l’univers est-il essentiellement
composé de matière et pas
d’antimatière
• Les trois interactions fondamentales
Et demain ? Les mystères non
résolus…
• Où se situe la gravitation dans ce
schéma ?
• Les théories « au-delà du Modèle
Standard » telles que la
« supersymmétrie » ou la « théorie des
cordes » seront-elles un jour vérifiées ?
• La quête du fondamental a-t-elle une fin
?
• … et bien d’autres questions qui
attendent les générations de physiciens
« The effort to understand the universe
is one of the very few things that lifts
human life a little above the level of
farce, and gives it some of the grace of
tragedy. »
Steven Weinberg