Cours de physique des particules et des rayonnements

Chp1 : bases − §1 idées-clés B1 -1
Cours de physique des particules et des rayonnements
Evelyne Daubie
Année académique 2005−2006

Chp1 : bases − §1 idées-clés B1 -2
Références
R. Windmolders, Introduction à la physique des particules élémentaires, notes de cours
O. Pingot, Physique des détecteurs et des rayonnements, notes de cours
D. Griffiths, Introduction to elmentary particles, Wiley, 1987
B. Grossetête et F. Vannucci, Interactions et particules, Eyrolles, 1991
B.R. Martin & G. Shaw, Particle Physics, Wiley, 2d edition, 1999
Particle Data Group [PDG] : the review of particle physics
http://pdg.lbl.gov
Super glossaire
http://rkb.home.cern.ch/rkb/PH14pp/PH14pp.html
Site du CERN
http://www.cern.ch
site de DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron)
http://www.desy.de
Site de SLAC (Stanford Linear Accelerator Center)
http://www.slac.stanford.edu
Site du Fermilab (FNAL Fermi National Accelerator Laboratory)
http://www.fnal.gov
Site du KEK (high energy accelerator research organization)
http://www.kek.jp
site global : particle physics news and resources
http://www.interactions.org
site amusant
http://ParticleAdventure.org

Chp1 : bases − §1 idées-clés B1 -3
Chp. 1 Concepts de base §1.1 idées-clés
♦ La physique des particules est avant tout la physique de l'infiniment petit : elle explore la
structure ultime de la matière, à la frontière des dimensions détectables par les techniques
expérimentalement existantes (l'infiniment petit dépend donc des progrès technologiques). Le but est
de trouver un nombre aussi restreint que possible de particules élémentaires (sans structure interne)
interagissant entre elles à travers un minimum de forces (idéalement un seul type de force).
@ expliquer comment les particules élémentaires se lient pour former des particules composites et
plus globalement le monde qui nous entoure.
♦ C'est une histoire de développements théoriques et de découvertes expérimentales "en chaîne" (cf.
§ Historique), dont la fin n'est certainement pas encore écrite. La physique des particules comprend
2 grands domaines : domaine théorique (Ö prédictions de nouvelles particules) et domaine
expérimental (recherches de nouvelles particules).
Après la découverte de l'électron (Thomson 1897), elle a réellement commencé avec la physique
nucléaire (Ö découverte du noyau / Rutherford 1911, des protons Rutherford/ 1919 et des
neutrons Chadwick/ 1932). La physique qui s'appuyait jusqu'alors sur un modèle de l'atome
INDIVISIBLE a connu un profond bouleversement. Début des années 30, le nombre de particules
ÉLÉMENTAIRES était assez réduit : 3 (électrons + protons + neutrons) + l'hypothèse, émise par
Pauli, de la particule "neutrino" pour expliquer les phénomènes de radioactivité β.
Puis sont survenues les grandes étapes suivantes (détaillées au § Historique):
1/ 1935 hypothèse de Yukawa: la force nucléaire serait due à l'échange de particules massives
(masse comprise entre celle de l'électron et du proton Ö ≈200 MeV ) appe lées mésons.
2/ années 30-40 @ découverte et étude des rayons cosmiques : découverte de l'antiélectron – muon
– méson π ou pion – premières particules "étranges".
3/ 1953 @ mise en évidence directe de l'existence des neutrinos : expérience de Reines & Cowan
auprès d'un réacteur nucléaire et utilisant les photomultiplicateurs.
4/ années 50-60 @ mise au point et exploitation des outils de la physique des particules, les
accélérateurs de particules : antiproton 1955 – antineutron 1956 – neutrino mu 1962- particule Ω−
1963 - particule résonance ∆ et une multitude de particules similaires aux nucléons et aux pions
appelées HADRONS (Fin 60 : >100 hadrons).
5/ 1964 hypothèse de Gell-Mann et Zweig : les hadrons sont composés d'entités plus petites, de
particules baptisées quarks. Le grand bouleversement sur le plan théorique vient du fait que les
quarks portent une charge électrique fractionnaire : +2/3 e ou −1/3 e.
6/ fin 60s & début 70s @ expériences "à la Rutherford" menées avec des faisceaux d'électrons
(20 GeV/ SLAC/68 PN 1990) & avec des faisceaux de neutrinos (CERN/74) démontrent l'existence
de "petits grains durs" dans les nucléons, nommés alors partons; ils sont au nombre de 3 et portent
effectivement des charges fractionnaires (ce sont les quarks de valence): 2 quarks up + 1 quark
down pour le proton et 2 quarks d et 1 quark u pour le neutron.

Chp1 : bases − §1 idées-clés B1 -4
♦ Expérimentalement, la plupart des renseignements sur les propriétés des particules proviennent
donc des expériences de diffusion "à la Rutherford" elastic scattering:
α
noyau
atome
Expériences sur cible fixe
En physique des particules, on parle d' :
Une particule en mouvement heurte, au sein de la matière, une
particule au repos: électron, proton ou neutron (ou noyau, ou quark :
cela dépend de l'énergie du "choc" ). On enregistre alors par exemple
des distributions angulaires pour les particules diffusées.
♦ L'échelle des distances qu'une "particule-sonde", "particule-onde" peut atteindre est déterminée
par son impulsion/longueur d'onde reliées part la relation de Louis de Broglie :
λλ ==
h
pou p h
Ö une particule de longueur d'onde λ donne au mieux accès à des dimensions comparables à λ.
Exemple: un électron de 20 GeV (Tcin) Ö Etot = m0c2 + T ≈ 20 GeV
(SLAC) Ö pc E m c
bg ch
=−
20 24
=20 GeV/c = 2.104 MeV/c
Ö λπ
== ⋅ ⋅
L
N
MO
Q
P⋅⋅
L
N
MO
Q
P
−
h
pMeV s MeV c c m s
65810 2
210 310
22
4
8
,/
Ö λ ≈ 6.10−17 m ≈ 0,1 fm
Le tableau ci-dessous résume le "pouvoir de résolution spatial" lié à l'énergie Ö à la longueur
d'onde de l'onde associée à l'électron.
Énergie cinétique Longueur d'onde Structure discernable
1 keV 10−10 m = 1Å Atome
10 → 100 MeV 100 → 10 fm Noyau → nucléon
10 GeV 10−1 fm Quark
1 TeV 10−3 fm Accélérateurs actuels
Ö faudrait ≈103 TeV 10−6 fm Structure du quark (?)
Pour sonder le quark (en admettant qu'il soit composite) il faudrait mesurer 10−6 fm; à la limite
actuelle de 10−3 fm, le quark apparaît encore comme ponctuel.

Chp1 : bases − §1 idées-clés B1 -5
♦ A l'heure actuelle, la structure ultime de la matière peut se schématiser comme suit :
♦A côté des particules stables (e−, p, νe), on trouve des particules instables (à plus ou moins longue
durée de vie de 15 min à 10−23 s) que l'on classe dans la famille des LEPTONS (chargés si leurs
propriétés sont similaires à celles des électrons ou leptons neutres / neutrinos) ou dans la famille des
HADRONS (propriétés similaires à celles des nucléons ou mésons) mais dont les masses leur sont
supérieures, une particule ne pouvant se désintégrer qu'en particules plus légères. A côté de la
matière on trouve également l'antimatière formée des antiparticules (masse et durée de vie
identiques à celles des particules correspondantes mais dont les propriétés électromagnétiques sont
inversées). L'existence des antiparticules découle de la combinaison relativité restreinte et
mécanique quantique : elles furent prédites par Dirac avant leur observation expérimentale.
1 Å
10 fm
1fm
10−3 fm
dimension
détectable via
technologique
actuelle
Une particule et son antiparticule peuvent s'annihiler : leur énergie TOTALE (Etot = Ecin +m0c2)
(somme énergie cinétique et énergie de masse) réapparaît sous forme d'autres particules, suivant la
célèbre formule : E = mc2.
Ö physique nucléaire : annihilation du positron au repos e+ + e− → γ + γ (2 γ de 511 keV).
Ö phys. part. Plus l'énergie cinétique des faisceaux (par exemple e+ e−) est importante, plus la
masse des particules créées après annihilation peut être importante, comme schématisé ci-dessous; et
on parle alors de :
Expériences en collisionneurs
Schématisation des interactions
d'annihilation e+ e− → nouvelles part.
auprès de l'accélérateur LEP
Large Electron Positron collider
avec énergies 45 + 45 GeV (phase I)
80 + 80 GeV
et jusque 105 +105 GeV (phase II)
ª recherche du boson de Higgs