Le monde des particules
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Le monde des particules « What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. » Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter Plan 1. Plongée au cœur de la matière 2. De quoi le monde est-il fait ? Les particules 3. Comment tout cela tient-il ensemble ? Les interactions 4. Perspectives… 1. Plongée au cœur de la matière La quête du fondamental • Depuis la nuit des temps, l’homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers • Fondamental = ??? Structure de l’atome Structure de l’atome Mécanique Quantique Electron Interaction électromagnétique Noyau -10 10 m Strucure du noyau Proton Interaction forte Neutron -14 10 m Structure des nucléons Proton : 2 quarks up 1 quark down Interaction forte Neutron : -15 10 m 1 quark up 2 quarks down 2. De quoi le monde est-il fait? Les particules Caractéristiques d’une particule • Masse m – Energie de masse E=mc2 • Temps de vie τ – Particules stables / instables – Largeur de désintégration Γ=ħ/τ Caractéristiques d’une particule Remarque : – – – L’unité d’énergie en physique des particules est l’électron-volt: 1 eV = 1,6.10-19 J On utilise également le KeV, le MeV, le GeV et le TeV 100 TeV = Energie dépensée par un moustique pour s’élever de 1m! Caractéristiques d’une particule • Spin S – Lié à la rotation de la particule sur elle-même – Fermions : S=1/2, 3/2, 5/2, … Principe de Pauli : Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même état quantique – Bosons : S=0, 1, 2, … Caractéristiques d’une particule • Nombres quantiques – Charge électrique – « Couleur » –… Particules et antiparticules A toute particule est associée une antiparticule • Masse, temps de vie, spin identiques • Nombres quantiques opposés Particules élémentaires On connaît déjà : Quark up Quark down Electron Particules élémentaires On connaît déjà : Photon Leptons 6 leptons : Leptons 6 leptons : • électron Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s) Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s) • 3 neutrinos Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s) • 3 neutrinos + 6 anti-leptons Quarks 6 quarks : Quarks 6 quarks : • up et down Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V + 6 anti-quarks Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V + 6 anti-quarks × 3 anti-couleurs R,B,V Quarks Ils ne s’observent jamais seuls mais s’associent pour former des particules blanches : les hadrons • Baryon = association de trois quarks • Anti-baryon = association de trois anti-quarks • Méson = association d’un quark et d’un anti-quark • Pentaquarks ??? Bosons de jauge Bosons de jauge • Photon Bosons de jauge • Gluon × 8 couleurs/anti-couleurs Bosons de jauge • W-, W+ et Z0 ??? 3. Comment tout cela tient-il ensemble? Les interactions Quantité de mouvement et énergie • Mécanique classique : – Quantité de mouvement – Energie Quantité de mouvement et énergie • Relativité restreinte : – Quantité de mouvement – Energie Existence possible de particules de masse nulle! Interactions fondamentales • Interaction : Echange d’énergie et de quantité de mouvement entre deux fermions via un boson de jauge Diagramme de Feynman Interactions fondamentales • Désintégration • Annihilation / Création Interaction électromagnétique • Elle réunit dans un même formalisme – Les phénomènes électriques – Les phénomènes magnétiques – L’optique • Elle est responsable de la cohésion de l’atome Interaction électromagnétique • Au niveau fondamental : Echange de photons entre particules chargées e- eγ ePortée infinie e- Interaction forte • Elle est responsable de la cohésion – des nucléons dans le noyau atomique – des quarks et anti-quarks dans les hadrons Interaction forte • Au niveau fondamental : Echange de gluons entre particules colorées u (R) u (B) g (RB) d (B) d (R) Portée limitée par le confinement Interaction forte • Hadronisation : Interaction faible • Au niveau fondamental : Echange de W-, W+ et Z0 νe e- νe W+ d νe Z0 u d d Portée limitée par la masse des bosons de jauge Interaction faible • Désintégration du neutron : d u eνe Le boson de Higgs • Un boson de jauge doit avoir une masse nulle, or les bosons W-, W+ et Z0 sont massifs • Le problème peut être contourné grâce au « mécanisme de Higgs » • Ce mécanisme de Higgs entraîne l’existence d’une particule mystérieuse : le boson de Higgs. • Cette particule reste introuvable… 4. Les mystères non résolus… Les mystères non résolus • Pourquoi les particules d’une même « famille » ont-elles des masses si différentes ? Pourquoi existe-t-il trois « générations » dans chaque « famille » ? • Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ? • Comment inclure la gravitation dans ce schéma ? … et bien d’autres questions qui attendent les générations de physiciens à venir !!!
