PARTICULES ET NOYAUX Physique des particules Cours donné

Version 1.20 6 juillet 2001
PARTICULES ET NOYAUX
Physique des particules
Cours donn´eparMartinPohl
Assistant: Lorenzo Moneta
Universit´edeGen`eve
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Et´e 2001

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Chapitre 1
Introduction
Le but de la physique des particules est aussi simple `a formuler que difficile `a atteindre:
il s’agit de comprendre tout l’univers par ses propri´et´es microscopiques. L’univers, `al’´echelle
microscopique, contient principalement le vide – l’espace-temps – peupl´eparlamati`ere et les
forces. Pour approcher une compr´ehension g´en´erale de l’univers, mission ´evidemment impos-
sible, les hypoth`eses suivantes sont g´en´eralement faites aujourd’hui:
–Lamati`ere consiste en un nombre limit´edecat´egories de particules ´el´ementaires, qui sont
identifi´ees par leur masse unique et leurs propri´et´es vis-`a-vis des forces, c’est `adirepar
leurs nombres quantiques. Une particule dite ´el´ementaire n’a pas de structure int´erieure,
c’est ‘a dire qu’elle correspond `a un point dans l’espace-temps.
– Il y a un nombre limit´e de forces qui agissent entre les constituants de la mati`ere. Dans
le cas id´eal, celles-ci seraient juste des manifestations d’une seule force universelle.
– Forces et mati`ere ´evoluent dans le vide, l’espace-temps `a quatre dimensions. Le vide sert
`a param´etriser le mouvement des particules mais intervient aussi, comme partenaire actif,
dans les interactions entre et avec eux.
– L’homme, qui fait lui-mˆemepartiedecesyst`eme dynamique, arriverait n´eanmoins `a
comprendre son fonctionnement, grˆace `alam´ethode de l’exp´erience scientifique et de sa
description math´ematique.
La derni`ere hypoth`ese ´etant ´evidemment la plus contestable, tout ce programme manque com-
pl`etement de cette modestie qui convient au scientifique comme `atouset`a chacun. S’il devait
jamais se r´ealiser, il ne faudrait pas seulement que tout l’univers se d´ecrive par quelques pro-
pri´et´es irr´eductibles, mais aussi que l’on arrive `a traduire ces propri´et´es et lois du monde
microscopique `a des dimensions qui caract´erisent le macrocosme. Aussi contestable que soit ce
programme, on va toutefois l’adopter pour le moment pour voir jusqu’o`uonarrive.
Mati`ere:
Dans le sc´enario de la physique des particules d’aujourd’hui, la mati`ere consiste en particules,
qui sont des Fermions de spin un demi. Une liste des particules ´el´ementaires connues `acejour
est donn´
ee dans le Tableau 1.1.
Pour chaque particule il existe une antiparticule, identique en masse, mais avec tous les
nombres quantiques repr´esentant une charge invers´es. Mati`ere et antimati`ere peuvent s’annihiler
mutuellement et se convertir en ´energie. Inversement, si suffisamment d’´energie est concentr´ee
dans une petite r´egion d’espace-temps, mati`ere et antimati`ere seront produites en quantit´e
´egale.

2CHAPITRE 1. INTRODUCTION
Ta b . 1.1 – Particules de mati`ere et de force avec quelques-uns de leurs nombres quantiques.
Pour chaque particules il y a une antiparticule, de mˆeme masse, mais avec toutes leurs charges
invers´ees.
Nom Spin Nombre baryonique Nombre leptonique Charge ´electr.
Leptons:
e,µ,τ 1/2 0 1 −1
νe,νµ,ντ1/2 0 1 0
Quarks:
u, c, t 1/2 1/3 0 +2/3
d, s, b 1/2 1/3 0 −1/3
Bosons de jauge:
γ1 0 0 0
Z0,W
±1 0 0 0,±1
Gluons 1 0 0 0
Vide 0 0 0 0
En raison de leur propri´et´es similaires, on peut organiser les particules de la mati`ere en un
syst`eme p´eriodique, comme dans le Tableau 1.2. Les particules se regroupent en quatre familles
qui se distinguent par leur fonction: leptons charg´es, neutrinos, quarks du type up et quarks
du type down. Ils ont des types de charges diff´erents et ainsi sont soumis `adiff´erents types de
forces. En ce qui concerne la premi`ere g´en´eration, le lepton charg´e, l’´electron, figure dans l’atome
comme porteur de ses propri´et´es chimiques. Lui et le neutrino, le lepton neutre, apparaissent
dans les d´esint´egrations radioactives. Et les quarks up et down sont les constituants des protons
et neutrons qui forment les noyaux.
Chaque famille s’´etend sur trois g´en´erations, dont les membres se distinguent par leur masse
ainsi qu’un nombre quantique g´en´eriquement appel´eflavor, mais qui subissent les mˆemes forces.
Toutes les interactions sauf les interactions faibles charg´ees conservent le flavor. Ainsi, les lep-
tons charg´es et neutres de chaque g´en´eration sont produits en paires particule/antiparticule
par les interactions ´electromagn´etiques et faibles neutres: e+e−,νe¯νe,u¯u, d¯
d, mais non pas
e+µ−,νµ¯ντ,u¯cous
¯
b. Les interactions fortes g´en`erent ´egalement des quarks en paires parti-
cule/antiparticule, tout en respectant un autre nombre quantique conserv´e, appel´ecolor.Les
interactions faibles charg´ees peuvent convertir les particules d’une g´en´eration `a une autre.
Pour les quarks ceci est un effet connu depuis longtemps. Pour les leptons, seules les indica-
tions exp´erimentales d’oscillations entre neutrinos de diff´erentes g´en´erations indiquent un effet
semblable mais beaucoup plus faible. Par contre, le nombre total de leptons et de quarks est
strictement conserv´e par toutes les forces connues jusque l`a. Ceci correspond `a deux nombres
quantiques s´epar´ement conserv´es, le nombre baryonique et le nombre leptonique, attribu´es
comme montr´e dans le Tableau 1.1 pour la mati`ere et n´egatif pour l’antimati`ere. Ainsi un
proton, par exemple, qui contient principalement les quarks uud, a le nombre baryonique +1,
tandis que l’antineutron, qui contient les quarks ¯u¯ d¯ d, a le nombre baryonique −1.
Les masses des particules dans le tableau de la mati`ere ont tout pour nous surprendre.
L’´eventail s’´etend de la masse des neutrinos, tr`es faible et probablement dans les millielectron-
volt, jusqu’au quark top qui est aussi lourd qu’un noyau de Hafnium. Les quelques particules
dans le Tableau 1.2 suffisent pour constituer tout les particules observ´es jusque l`a et que l’on
trouve dans la publication du Particle Data Group, l’autorit´e mondiale dans la domaine. Son site

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Ta b . 1.2 – Syst`eme p´eriodique des composants de la mati`ere. Les g´en´erations de chaque famille
ont les mˆemes constantes de couplage, donc ils subissent les mˆemes forces. Ils se distinguent
par leur masse ainsi qu’un nombre quantique g´en´eriquement appel´eflavor.
G´en´eration
Famille 123
Neutrinos νeνµντ
Leptons eµτ
Quarks up uct
Quarks down dsb
web, http://www.cern.ch/pdg,met`a disposition une liste exhaustive des particules observ´ees
(et non-observ´ees), qui est r´eguli`erement mise `a jour, ainsi qu’une liste de leur propri´et´es.
Forces:
La m´ecanique quantique, caract´eris´ee par l’´equation de Schr¨odinger et ses solutions, d´ecrit le
mouvement non-relativiste des particules dans un champ ext´erieur. Elle ne d´ecrit pas comment
un tel champ est g´en´er´e, ni comment il arrive `a interagir avec la particule en question. C’est
cette question que se propose d’´elucider th´eorie des champs quantique. Le m´ecanisme de base
de la transmission de force est l’´emission de quanta du champ, des bosons de spin 1, par les
particules de mati`ere. La Figure 1.1 repr´esente ce processus par l’exemple d’un ´electron qui ´emet
un photon, changeant ainsi son impulsion. On verra plus tard comment r´esoudre le probl`eme
de conservation de l’´energie-impulsion associ´e a ce processus. Pour le moment, il nous suffit
d’accepter que les champs sont transmis d’un endroit `a un autre par des bosons vecteurs. Si le
boson messager est ensuite absorb´e par une autre particule, comme le d´emontre la Figure 1.2,
une impulsion est transmise entre les deux particules, l’un a donc exerc´e une force sur l’autre.
Il est claire que l’´echange d’une seule particule n’est qu’une premi`ere approximation de la vraie
interaction entre deux particules.
-e(E,p)
γ(k0,
k)
e(E, p)
Fig. 1.1 – Un ´electron entrant ´emet un photon.
La Figure 1.3 montre les quatre forces qui peuvent ˆetre repr´esent´ees de cette mani`ere. La
force ´electromagn´etique est responsable de tant de ph´enom`enes quotidiens, y inclue toute la
chimie. Les forces faibles sont `a l’origine de la radioactivit´eβ. Les interactions fortes g´en`erent
les forces nucl´eaires.
Il est remarquable que dans ce sc´enario standard la mati`ere ne consiste que de fermions,
les forces sont transmises exclusivement par des bosons. Cette asym´etrie est mise en cause par