Chp.2 HISTORIQUE §2. Le début de la physique des particules

Chp2 Historique §2 début physique particules / rayt cosmique H2 - 1
Chp.2 HISTORIQUE §2. Le début de la physique des particules :
étude du rayonnement cosmique
H2.1 Le rayonnement cosmique (inconnu en 1932 !!)
♦ 1910 : V.F. Hess observe une augmentation de la radioactivité avec
l'altitude durant un vol en ballon.
♦ Le rayonnement cosmique primaire est constitué de noyaux,
principalement des noyaux d'hydrogène - protons. Ce rayonnement primaire
arrivant dans la haute atmosphère terrestre y génère des collisions nucléaires
(noyaux N et O) en cascades @ création de nouvelles particules d'énergie
élevée, instables, comme auprès d'un accélérateur sur cible fixe où les
collisions y sont organisées de façon contrôlée. La plupart de ces particules
(majorité de pions π) se désintègrent avant d'atteindre le sol.
@ Pions chargés π± → µ± + neutrino ν (suivi de µ → eνν)
@ Pions neutres π0 → γ + γ @ comme γ → e+e− @ gerbes EM(*)
Ceci conduit à un flux de particules cosmiques de différents types dépendant
de l'altitude, de la latitude et aussi de l'énergie de ces particules. Au niveau de
la mer, ce flux a une valeur typique de 180 particules de toute éner
g
ie par
seconde et par m2 de surface horizontale traversée, dont 130 particules
énergétiques dites "dures" (muons capables de traverser 1 m Pb) et 50
particules moins énergétiques dites "molles" (arrêtées par quelques
centimètres de plomb e±, γ).
La distribution angulaire de l'intensité du flux de
muons est de la forme : I(θ) = I0 cos2θ
où I0 est l'intensité verticale et θ l'an
g
le azimutal.
π0
Une gerbe électromagnétique(cf. chp 6) est
formée de photons γ se convertissant en paires
e+e− qui à leur tour prodiusent des γ par
rayonnement de freinage … et ainsi de suite.
Le flux de muons a une énergie
moyenne de 2 GeV et présente
un spectre en énergie
décroissant en E−2pour des
énergies inférieures à quelques
TeV, puis en E−3.6 au delà.
γ
γ
e+ e− e+ e−

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H2.2 Les antiparticules, découverte théorique : Dirac
♦ Equations d'évolution de la fonction d'onde ou équations d'onde
eq. classique p
mVE
2
2+=
eq. quantique −∇ +=
∂Ψ
∂
i
mVi t
hh
bg
2
2ΨΨ ou HE
SΨΨ=
@ = équation de Schrödinger non invariante relativiste.
♦1927 Paul Dirac (PN 1932), jeune théoricien, combine relativité restreinte et mécanique
quantique et établit l'équation d'onde relativiste pour des électrons libres : HE
DΨΨ=
(ou électrons soumis à un champ électromagnétique).
La propriété de spin quantifié de l'électron se trouve naturellement dans les solutions de l'équation de
Dirac car ces solutions sont fonctions propres de l'opérateur hélicité (cf. → cours, = spin projeté sur axe
du mouvement r
p
) : Ψrst,,
r
af
Mais … pour toute solution à énergie positive, il existe une solution à énergie négative:
ENERGIE POSITIVE Ep NEGATIVE cmc
22 24
=+ + E= - p c m c
22 24
+
SPIN +1/2 −1/2 +1/2 −1/2
@ Dirac propose l'interprétation suivante : TOUS les états à énergie négative sont occupés par des
électrons (principe d'exclusion de Pauli empêche transitions vers ces états) → le "vide" correspond à
une mer infinie d'électrons dans ces états d'énergie négative complètement inobservable car sans effets
gravitationnels ou EM → seules les déviations par rapport au vide sont observables
Création d'une paire e
−
e+
Vide de Dirac
Si un électron est retité de la
mer d'électrons à énergie
négative (via photon d'énergie
au moins égale à 2me), un
électron apparaît et se crée un
"trou" dans la mer qui se
manifeste comme une particule
physiquement observable avec:
- une énergie opposée, donc positive (conservation de E)
- une impulsion opposée à celle de l'électron (conservation de
r
p
)
- une charge opposée à celle de l'électron (+e)
@ propose l'existence d'une particule identique à l'électron, quant à sa masse et son spin, mais de
charge électrique opposée (et moment magnétique parallèle au spin), il la nomme antiélectron ou
positron.
@ 2 phénomènes corollaires sont prédits: annihilation & création de paires e+e−.
@ en postulant l'occupation de la quasi totalité des états à énergie négative, la théorie cesse d'être une théorie à
une particule ! @ on passe à la description de phénomènes de "création / destruction" de particules [théorie
quantique des champs].

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H2.3 Découverte de l'antiélectron : Anderson
♦1931 Carl D. Anderson (PN 1936) découvre le positron dans le rayonnement cosmique au moyen
d’une chambre à brouillard @ confirme l'existence de l'antimatière
→ particule de charge positive (signe de la courbure)
→ courbure plus prononcée après passage dans Pb : particule vient du bas
→ rayon de courbure R de la trajectoire proportionnel à p: p GeV / c 0,3.B T .R m
=
→ densité d’ionisation (densité de gouttelettes de brouillard) produite par le passage de la particule
similaire à celle produite par un électron (dE dx//
∝
12
β
)
→ masse voisine de celle de l’électron (p = mβc).
H2. 4 Interactions décrites comme échange de bosons
♦ Cas de l'interaction électromagnétique entre particules chargées, de portée infinie : véhiculée
par le photon (γ), boson spin 1
Ex : Diffusion élastique e-p : e + p → e + p décrite en 3 étapes
(1°) électron incident → électron + photon γ
(2°) γ (état virtuel) se propage pendant ∆t <<
(3°) γ + proton incident → proton diffusé
A la limite où Mp → ∞, la particule e peut être considérée comme diffusée par un potentiel statique
dont p est la source (charge −e interagissant dans le champ créé par la charge +e).
@ il s'agit du potentiel électrostatique:
Vr -e 1
r
2
bg=⋅
40
πε
Diagramme de Feynman
γ
= porteur carrier of the EM interaction
= quatum du champ EM
e
−
e
−
p p
γ
e
e
Trace célèbre du premier positron détecté dans une chambre à
brouillard ou chambre de Wilson (PN 1927) (cf. TP) contenant une
plaque de plomb de 0,6 cm d'épaisseur en son centre et plongée
dans un champ magnétique (B = 1,5 T).
Trace de gouttelettes dans un gaz sursaturé en vapeur qui devient
liquide suite à l'ionisation.
♦ première gerbe d'électrons positrons observée dans une chambre à
b
rouillard déclenchée par des compteurs de Geiger placés au dessus et
en dessous de la chambre [
p
ar le groupe de Blackett et Occhialini ref.
Segré].
B

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♦ Cas de l'interaction nucléaire forte entre nucléons
d'intensité supérieure à celle de l'interaction EM, lie les nucléons (protons et neutrons) dans le noyau,
de portée très courte : de l'ordre de la taille du nucléon (≈ 1- 2 fm).
1932 : hypothèse de Yukawa (PN 1949) : par analogie avec le mécanisme d'échange de photons
dans les interactions électromagnétiques, Yukawa propose un modèle dans lequel l'interaction entre 2
nucléons (p ou n) est vue comme échange de particules X (les particules X sont les quanta du champ
nucléaire fort).
g
g
X
N'2 N2
N'1
N1
NN NN
NN
NXN
12 1
'
11
'
22
'
+→+⇔
→+
+→
R
S
|
T
|
2
'X se propage
X
Quelle est cette particule X ? quelles sont ses propriétés ?
@ comme la portée des forces fortes est courte : X doit être lourde (m ≠ 0)
g
g
π+
p n
n p
Théorie de
Yukawa
@ Yukawa propose un potentiel d’interaction nucléaire de la forme
V(r) ge
r
e
r avec = c Mc
2-r/R
r
x
2
=− ⋅ ∝
−
4π
R
R h ≈ rayon d'action ou portée.
où g représente l'intensité du couplage de X aux particules Ni.
Si M 0 : V(r) 1
r
x→→
(on retrouve la forme d'un potentiel électromagnétique)
@ estimation masse de X : Rf (< m
m c
c
R
≈⇒=≈14 140
2
, M MeV
x
h
p > me)
@ X appelée méson (mésos = moyen en grec).

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H2.5. Les mésons π & les muons µ (1934-1947)
1937 découverte du « mésotron » dans le rayonnement cosmique
Dans les rayons cosmiques, se trouve une particule de masse proche de celle de la particule X
Des études plus détaillées montrent cependant que cette particule n'est pas celle de Yukawa car :
–
–
–
elle interagit peu (faiblement) avec la matière
–
–
–
elle est un peu plus légère que la particule de Yukawa
–
–
–
elle n'est détectée que dans des états de charge +/− (or il doit exister un état neutre pour
expliquer les interactions p-p & n-n).
1947 Powell (PN 1950) (et son groupe) met en évidence qu’il y a 2 sortes de particules avec une
masse proche de celle de celle de la particule de Yukawa :
♦les pions : π+ π− π0 (de M ≈ 140 MeV)
♦les muons : µ− µ+ (de M ≈ 106 MeV)
Powell avait pressenti que des interactions en haute atmosphère empêchaient les π d'atteindre le sol @
il a utilisé la technique des émulsions nucléaires (*) exposées au rayonnement cosmique sur des
sommets montagneux (pic du Midi / Pyrénées); on sait maintenant que les π, produits copieusement
en haute atmosphère, se désintègrent avant d’atteindre le sol. Sur les photos ci-dessous, un pion se
désintègre rapidement en muon qui à son tour se désintègre en électron avec un parcours typique dans
l'émulsion de ≈60 µm pour le muon.
→ Le π se désintègre en µ (de durée de vie plus longue) → le pion est la particule de Yuakawa,
satisfaisant tout à fait les prédictions.
→ Le µ se comporte comme un électron (plus lourd) → électrons et muons sont groupés en leptons.
leptos = léger
(*)Emulsion photo de haute performance
♦ fraction de ≈80% d'halogénure d'argent
dans émulsion @ grande sensibilité & haute
résolution spatiale (grains d'argent de ≈0,1 à 0,2
µm /1 à 10 µm pour les films commerciaux)
♦ sensibles en permanence
♦ masse volumique (≈ 3,8 g/cm3) > ρair
@ trajectoires beaucoup plus courtes et
éventuellement particule s'arrête dans émulsion
♦ efficacité de détection ≈ 100%.
♦inconvénient majeur : lecture non
déclenchable.
1948 & 1950 : des π± sont créés
& le π0 découvert (π0→2γ
@durée de vie beaucoup plus
longue ≈ 10−16s) auprès d'un
accélérateur (Berkeley / collisions
particules α accélérées sur cible
de carbone).
Four events showing the decay of a π+
coming to rest in nuclear emulsion