quarks - indico in2p3

Bref état des lieux de la
physique des particules
S
Transparents : L. Valéry, E. Busato, F. Badaud
De quoi sommes nous faits ?
De quoi est fait le monde ?
la recherche de la réponse, c’est la physique
des particules.
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De quoi est fait le monde ?
S Question qui a occupé (et occupe encore) bien des gens
S Visions des grecs anciens (Empédocle ~-450 av. JC)
S 4 éléments : le feu, la terre, l’air et l’eau
S 2 forces : l’amour et la haine
S Concept d’atome (Démocrite ~-420 av. JC )
S Indivisibles et immuables
S Petits, élémentaires et pleins, entourés de
vide dans lequel ils peuvent se déplacer
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Révolution scientifique
XVIIème XVIIIème siècles
S Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée,
Pascal, etc.)
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ème
XIX siècle
S Mendeleïev
S Dalton : chaque élément est un atome différent
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XIXème siècle
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Structure de l’atome
Atome constitué de deux parties :
 Électrons
 Noyau
~10-10 m
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Le noyau atomique
S Le noyau n’est pas insécable
S Constitué de protons et de neutrons
A
Z
X
S Protons et neutrons composés de
quarks
~10-14 m
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Structure des nucléons
S Protons et neutrons composés de 3 quarks
~10-15 m
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La matière à l’échelle subatomique
Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires
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Interactions fondamentales
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Qu’est-ce qu’une interaction ?
Isaac Newton
Vision classique : action instantanée à distance
Vision moderne : échange de particules
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Interaction électromagnétique
S Existe entre des particules qui portent des charges électriques
S Exemple : interaction entre électrons
S Particule médiatrice de cette interaction : PHOTON
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Exemple interaction entre 2
e
e
e
 Interaction entre les électrons pas instantanée
 Une particule est échangée : elle porte l’interaction
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Interaction forte
Quark
Quark
u
 Assure la cohésion du noyau
d
 Particules médiatrices :
GLUONS
 Ces derniers agissent comme
de la « colle »
Quark
u
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Interaction faible
S Existe entre toutes les particules
S Exemple : désintégration radioactive β
S Particules médiatrices :
W+, W-, Z
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Radioactivité β
Radioactivité: Phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux
atomiques instables se transforment spontanément en dégageant
de l'énergie sous forme de rayonnements divers
Co ®
Ni + e + n
+
60
60
27 protons
33 neutrons
28 protons
32 neutrons
neutron
-
proton + e- +ν
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Radioactivité β
Médiateur de l’interaction faible : le W
u
d
d
u
d
u
We-
ν
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Résumé
2 types de particules
Particules de matière
(quarks, électrons, neutrinos)
Particules d’interaction
(photon, gluons, W+, W-, Z)
 fermions
 bosons
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Fermions
Bosons
Le modèle standard
de la physique des particules
S
21
Le Modèle Standard
Modèle
Standard
S Modèle Standard décrit les particules
élémentaires et leurs interactions
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Symétrie
grande précision
Quantique
S Testé expérimentalement avec une
Relativé
S Elaboré dans les années 1960-70
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Et le boson de Higgs ?
S Masse : quantifie l’inertie d’un corps
S Boson de Higgs confère de la masse à certaines particules
S Plus l’interaction avec le Higgs est forte, plus la masse est grande
S Particule de masse nulle (ex : photon) n’interagit pas avec le boson de Higgs
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Conclusions
S 2 types de particules : matière (fermions) et interaction (bosons)
S Boson de Higgs responsable de la masse des particules
S Théorie actuelle qui décrit tout cela : Modèle standard
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Histoire de
l’univers
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Matière et énergie noire
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Quelques questions en suspens

Les particules élémentaires sont-elles vraiment élémentaires ?

Y-a-t’il des dimensions supplémentaires ?

Existe-t-il d’autres particules et d’autres interactions ?

Que sont la matière et l’énergie noire ?

…
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BACKUP SLIDES
ALWAYS USEFUL !!
S
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Des particules comme s’il en
pleuvait …
 Supernovaes : émission de protons
(cosmiques)
 Entrée dans l’atmosphère … le
nombre de particules augmente
rapidement  gerbe
 On a trouvé, dans ces gerbes des
particules inconnues jusqu’alors.
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Un bref historique
S
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Un bref historique (1/4)
S 1898 : Découverte de l’électron (J.J. Thomson) : la première particule
S 1905 : Explication de l’effet photoélectrique (A. Einstein)
S Photon = Quantum de lumière
S 1919 : Découverte du proton (E. Rutherford)
S 1921 : Réalisation du fait que l’existence du noyau atomique est liée à
l’interaction forte
S 1923 : Découverte de l’effet Compton
S Les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des particules
S 1928: Equation de Dirac (prédiction de l’existence du positron)
S 1930 : Prédiction de l’existence du neutrino (E. Fermi, désintégrations 𝛃)
S 1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)
Un bref historique (2/4)
S 1932- 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion.
S 1946-1950 : Formulation de la théorie quantique de l’électromagnétisme
(QED)
S 1951 : Découverte des particules « étranges » (quark s)
S 1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan)
S 1954 : Invention des théories de jauge non-abéliennes (Yang-Mills)
S Théorie de l’interaction forte (QCD)
S 1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu)
S 1962 : Découverte de neutrino muonique
S Plusieurs « familles » de particules aux propriétés comparables
Un bref historique (3/4)
S 1960-1970: Découverte de centaines de particules
S Réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks
S 1964 : Découverte de la violation de CP (symétrie matière-antimatière)
S 1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible
(Glashow, Salam, Weinberg) → Les débuts du Modèle Standard
S 1974 : Découverte de la résonance J/ψ (quark c)
S 1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b)
S Troisième famille de quarks
S 1976 : Découverte du lepton 𝛕
S Troisième famille de leptons
S 1979 : Première trace expérimentale des gluons (PETRA à DESY)
Un bref historique (4/4)
S 1983 : Découverte des bosons W et du Z au CERN
S 1990-2000 : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN grâce au LEP
(collisionneur e+e- ; le LHC utilise le tunnel du LEP)
S Trois familles de neutrinos légers, prédiction de la masse du quark top…
S 1989 : Premières discussions sur la construction du LHC
S 1995 : Découverte du quark top à Fermilab
S 1998 : Découverte des oscillations de neutrinos à Super-Kamiokande
S Les neutrinos ont une masse non nulle
S 2000 : Découverte du neutrino tauique par l’expérience DONUT
(Fermilab)
S 2007 : Premières prises de données avec le LHC
Attitude scientifique
Attitude qui consiste à baser ses croyances sur des faits établis
plutôt que sur des désirs, des traditions et des préjugés
(Russell)
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