Transparents - indico in2p3

Particules et interactions
Bref état des lieux de la physique des particules
Transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY
(doctorant dans l’équipe ATLAS du LPC)
S
« De quoi est fait le monde ? »
S Question naturelle qui a occupé (et occupe encore) bien des gens.
S Les Grecs anciens croyaient que tout était composé de 4 éléments :
S Le feu, la terre, l’air et l’eau
S Et était gouverné par 2 forces
fondamentales : l’amour et la haine.
(Hempédocle)
S Démocrite introduit le concept d’atome comme indivisible et
immuable. La matière « ordinaire » peut être décomposée en atomes.
Petits,élémentaires et pleins, entourés de vide dans lequel ils peuvent
se déplacer.
2
ème
XVII
ème
XVIII
siècles
S Boyle : une théorie scientifique moderne repose sur l’expérience.
S Newton : loi de la gravitation Universelle
Deux masses ponctuelles s’attirent selon une force
dirigée le long de la ligne les reliant. Elle est
proportionnelle au produit des 2 masses et inversement
proportionnelle au carré de la distance qui les séparent.
S Lavoisier : les « composés » (molécules) sont faits de plus d’un élément.
3
ème
XIX
S Mendeleïev
S Dalton : chaque élément est un atome différent.
S Maxwell : lois de l’électromagnétisme
4
fin
ème
XIX :
structure de l’atome
S Atome : noyau avec charge positive et électrons)
S Thomson (gros noyau avec électrons a l’interieur – plum pudding)
Detector
Trajectòria dels
feixos
Làmina
d’or
Feix de
partícules
Font de radiació
S L’atome de Rutherford est ‘vide’ (petit noyau et électrons autour)
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A la fin du
ème
XIX
siècle
La Matière :
Le rayonnement:
faite de corpuscules parfaitement
localisables dont le
mouvement peut être décrit
par la mécanique classique.
gouverné par les lois de
l’électromagnétisme.
Tous les phénomènes trouvaient leur explication dans la physique classique
Mais ….
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Spectres atomiques
S 1860 Bunsen et Kirchhoff quand on chauffe les éléments chimiques
ils émettent un spectre discret (non continu) de lumière
caractéristique
Bohr explique ces spectres par la quantification des orbites électroniques
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Structure de l’atome
S 1913 Bohr explique ces spectres à partir de la quantification des
orbites électroniques
Besoin de mécanique quantique
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Examinons le noyau atomique
S Le noyau n’est pas insécable
S Constitué de protons et de neutrons
S Des observations nous ont amené à
penser que les protons et neutrons
étaient
eux-mêmes
constitués
d’autres particules plus élémentaires.
S On parle de quarks.
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Descendons au cœur de la matière
Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires
10
Revenons sur les
interactions
S
11
Interrogation surprise !
S Quelles sont les interactions fondamentales ?
12
Interrogation surprise !
S Quelles sont les interactions fondamentales ?
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Evolution des interactions
Isaac Newton
Vision classique : action instantanée à distance
Vision moderne : échange de particules
(1643-1727)
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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
ee
-
e
e
e
-
e
-
-
-
e
e
 Interaction entre les électrons pas instantanée
 Une particule est échangée : elle porte l’interaction
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Interaction forte
Assure la cohésion du noyau
Quark
Quark
u
Le proton est constitué de trois quarks
(u,u,d)
d
Les médiateurs sont les 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 qui portent cette interaction :
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.
Co ®
Ni + e + n
+
60
60
27 protons
33 neutrons
28 protons
32 neutrons
neutron
-
proton + e- +ν
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Le neutrino ν
Est nécessaire
pour exprimer
la distribution
en énergie de
l’électron
Radioactivité β
médiateur de l’interaction faible : le W
u
d
d
u
d
u
We-
ν
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Résumé
Si le monde qui nous entoure est un mur, il
est constitué :
 des briques (quarks, électrons,
neutrinos)
 fermions
 de ciment qui maintient ces dernières
liées.
 bosons
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Les quarks
Les leptons
Matière instable
Matière stable
Récapitulatif
Les fermions
22
Les bosons
Les interactions entre
les particules sont
décrites au sein
du modèle standard
S
23
24
Le Modèle Standard
S Le Modèle Standard est un modèle qui décrit à la
fois les particules
interactions.
élémentaires
et
leurs
S Pour vérifier que ce Modèle est valide, on construit
des expériences, et notamment des accélérateurs et
collisionneurs de particules.
S A l’heure actuelle, l’accord entre le Modèle
Standard et les mesures est excellent.
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Et le boson de Higgs ?

Masse : caractéristique d’un corps à résister aux
accélérations
 Plus un corps est massif plus il est difficile de le
mettre en mouvement

2 types de particules:
 Une particule de masse nulle voyage à la vitesse
de la lumière:
 Ex : le photon
 Une particule massive voyage à une vitesse
inférieure à la vitesse de la lumière
 Qu’est ce qui ralenti cette particule?
 Interaction avec un autre type de particule:

Le boson de Higgs
26
Conclusions
27
Conclusions




Particules de matières: fermions
 électron, muon, tau, neutrino, quarks,…
 Et leurs antiparticules
Particules d’interactions: bosons
 Photon: interaction électromagnétique
 Boson Z/W: interaction faible
 Gluon: interaction forte
Le boson de Higgs est la particule qui permettrait
d’expliquer la masse des particules.
Le Modèle Standard est le cadre théorique qui permet de
décrire les particules et leurs interactions
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BACKUP SLIDES
ALWAYS USEFUL !!
S
29
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.
30
Un bref historique
S
31
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 𝛃)
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 𝛕
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
« De quoi est fait le monde ? »
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