Licence de Physique Physique des particules et cosmologie

Licence de Physique
Physique des particules et cosmologie
David Viennot
25 août 2010

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Table des matières
I Aspects relativistes de la physique des particules et de la cosmologie 5
1 Introduction à la physique des particules 7
1.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Système d’unités de la physique des particules, constantes fondamentales et échelles de Planck 11
1.3 Panorama des théories physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Les lois fondamentales de la physique des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Les grands instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.1 Les accélérateurs de particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.2 Les trajectographes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Introduction à la théorie de la relativité restreinte 17
2.1 Les transformations de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Géométrie de l’espace-temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Collisions de particules relativistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Le modèle standard de la cosmologie 23
3.1 La gravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Les métriques de Robertson-Walker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Le rôle du paramètre de courbure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Le rôle du facteur d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Matière, énergie et dynamique de l’Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
II Aspects quantiques de la physique des particules 29
4 Fondements de la mécanique quantique 31
4.1 Les postulats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.1 États et observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.2 Expérience des trous d’Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.3 Chats de Schrödinger et interprétations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Nombres quantiques internes, spin et spineurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Dynamique quantique 37
5.1 Équations de Schrödinger et de Klein-Gordon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Équation de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6 Interactions et zoologie des particules élémentaires 41
6.1 Interactions électromagnétique et électrofaible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.1 L’interaction électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.2 L’interaction électrofaible et les leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.1.3 Le mécanisme de brisure spontanée de symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 Interaction forte, les quarks et les hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.1 La chromodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.2 La saveur des quarks et les hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.3 L’interaction nucléaire résiduelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3

4TABLE DES MATIÈRES
6.3.1 Résumé sur les interactions et les bosons de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3.2 D’autres particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3.3 Les symétries et lois de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Première partie
Aspects relativistes de la physique des
particules et de la cosmologie
5