La Physique au CERN

La Physique au CERN 1) La dualité onde-­‐par2cule et la mécanique quan2que 2) La structure de la ma2ère: des atomes aux quarks 3) Les quatre forces fondamentales, le Modèle Standard et le Higgs 4) La vitesse de la lumière et la rela2vité 5) Les accélérateurs et les détecteurs 6) L’observa2on du cosmos La structure de la ma2ère Des atomes aux quark • • • • • • • Quan2fica2on de la ma2ère Atome Noyau Les par2cules élémentaires An2ma2ère Le rôle des symétries en physique Les preuves expérimentales De l’existence des atomes • L’idée d’une cons2tu2on de la ma2ère à par2r de par2cules ul2mes a pu voir le jour bien avant les hypothé2ques atomes grecs • atomos = indivisible. Les atomes sont-­‐ils crochus ?(forces) • Première preuve: les cristaux ( ≈ 1800) Figure de diffrac2on d’un cristal par rayon X von Laue (1912) • Diamètre atomique 10-­‐10 m = 0,1 nm = 1 angström • Chimie : bataille pendant tout le XIX siècle (Dalton 1808, Avogadro 1811, Mendeleïev 1869) Table de Mendeleiev (1869) Chimie Eléments classés par ordre croissant des poids atomiques Les éléments d’une même colonne ont des propriétés analogues La ma2ère est quan2fiée • 1905 ar2cle de Einstein sur le mouvement brownien: Décrit pour la première fois en 1827 par le botaniste Robert Brown en observant des mouvement de par=cules à l’intérieur de grain de pollen: mouvement aléatoire d’une « grosse » par=cule immergée dans un fluide. i) entre 2 chocs, la par=cule se déplace en ligne droite avec une vitesse constante ii) lorsqu’elle rencontre une molécule de fluide ou une paroi la grosse par=cule est accélérée • 1982 on «voit » les atomes avec le microscope à effet tunnel Image prise par un microscope à effet tunnel. Ce=e image d'environ 5 nanomètres montre une surface de cuivre où les atomes de cuivre ont été confinés à l'intérieur d'un enclos quanGque de 48 atomes de fer. La barrière circulaire de fer a un rayon de 71,3 Angstrom (71,3x10-­‐10 m). On voit les électrons se comporter comme des ondes. Les par2cules « élémentaires » Mais l’atome n’est pas indivisible ! Élémentaire : sans structure e- (1897 Thomson) Noyau (1911 Rutherford) q ( 1964 Gell-­‐Man) P (1919) n (1932 Chadwick) Découverte de l’électron • J. J. Thompson (1897) • Rayons cathodiques déviés par un champs électrique (E) e• Combiné avec un champs magné2que (B)  masse  Masse = 0,511 MeV Q = -­‐1 spin = ½ Expérience à faire au microcosme du CERN! Energie  L’énergie (E) est conservée. Elle peut avoir différentes formes et elle peut se transformer d’une forme à l’autre. • E mécanique : Eciné=que = ½mv2 Epoten=elle= mgd
• E thermique. Premier Principe de la Thermodynamique: L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais transférée seulement d’un système à un autre et transformée d’une forme à une autre. La température est propor=onnelle à l’énergie ciné=que des molécules. • E électromagné=que • E nucléaire • E = mc2 (c vitesse de la lumière)  Unité d’énergie : eV = 1,6 10-­‐19 J énergie acquise par un électron dans une différence de poten2el de 1V
MeV = 106 eV GeV = 109 eV
 Unité de masse eV/c2 ou eV (si l’on pose c=1) =1,78 10-­‐36 Kg  Unité d’impulsion p eV/c ou eV (si l’on pose c=1) L’atome (électriquement neutre) est composé ! • Découverte de l’électron (Thompson 1897) • Expérience de Rutherford (1911):$
les charges posi2ves sont dans un noyau pe2t • Le proton (découvert en 1919) masse = 938 MeV (= 1,67 10-­‐27 Kg) Q = 1 (=1,6 10-­‐19 Coulomb) spin =½ • Le neutron (découvert en 1932) masse = 940 MeV Q = 0 spin =½ • Dans un noyau : Z protons (numéro atomique) N neutrons A = Z + N (nombre de masse) Physique Nucléaire Radioac2vité α, β, γ : α = 4He = 2p 2n β-­‐ = e-­‐ β+ = e+ γ onde e.m. La masse d’un noyau est plus pe2te que la somme de la masse des ses cons2tuants ,p et n. Le défaut de masse correspond à l’énergie de liaison du noyau El . L’énergie de liaison par nucléon El /A représente la stabilité du noyau. An2-­‐par2cule • Un état quan2que (une par2cule, ex: e- ) est caractérisé par sa masse, son spin et des nombres quan2que intrinsèques : charge électrique Q , charge baryonique, etc. Son évolu2on dans l’espace et le temps est décrit par une équa2on : équa2on de Schrödinger pour des bosons (spin en2er) équa2on de Dirac pour des fermions (spin ½ ) • 1925 Dirac cherche une équa2on rela2viste pour un état quan2que: $
• On ob2ent des états d’énergie néga2ve !!! ??? • 1932 Carl David Anderson trouve l’e+ dans les Rayons Cosmiques avec une chambre à brouillard Chambres à brouillard • 1935 Anderson dans des Rayons Cosmiques trouve une par2cule avec la même masse de l’électron, mais charge opposée : e+
• Avec un accélérateur on peut observer des gammas de grande énergie ( Eγ >2 me c2) qui se transforment en une pair : γe+eLe trait sombre au centre est l’image de la plaque de plomb. La trajectoire du positron est incurvée sous l’ac2on d’un champs magné2que. La courbure nous donne la vitesse de la par2cule. Par2cule et an2par2cule  Chaque par2cule a son an2-­‐par2cule avec la même masse, mais charges opposées • Lorsque la ma2ère rencontre l’an2ma2ère les deux s’annihilent il reste l’énergie du système, qui peut former d’autres par2cules. • 1955 découverte de l‘an2proton par Segré et Chamberlain au Bevatron de Lawrence Lab. de 6 GeV  Produc2on de an2-­‐par2cules : γ  e+e- pour une énergie du gamma Eγ>2me c2 = 2x0,511 MeV = 1,022 MeV
p+A p p p A
• 1995 an2-­‐hydrogène au CERN Est-­‐ce que l’ an2-­‐hydrogène se comporte comme l’hydrogène ? ? Pourquoi il n’y a plus d’an2-­‐ma2ère dans l’Univers? Le neutrino Désintégra2on β : A  A’ + e ???? 83Bi  84Po + eBohr (1930): l’énergie n’est pas conservée Pauli: il y a une autre par2cule Fermi(1933) : neutrino ( ν) Théorie β Désintégra2on de base: n p e- ν
1956 νe Reines et Cowan près d’un réacteur nucléaire 1962 νμ 2000 ντ Tous avec leur an2-­‐neutrino Masse ≅0 , spin ½ , Q =0 Enrico Fermi (1901-­‐1954) Les rayons cosmiques (1912) Aurore boréale Victor Franz Hess (1883-­‐1964) A terre nous avons des charges électriques à cause de la radioac2vité, mais en hauteur ? Les charges électriques augmentent !!! Rayons Cosmiques Gerbes hadroniques et électromagné2ques • Hadrons (forts !) p, n, π, k, Λ …… p N π+π-­‐π0 p N* (N = nucléon) π0γγ π+μ+ ν • e.m.: e+, e+, γ, μ+, μ-­‐ …. γe+ e- eγ e
• neutrinos (faible) νe , νμ ,ντ • Les par2cules ne sont pas stables, elles se désintègrent !  temps de vie Le spin • Rota2ons  moment ciné2que L L conservé ! • Spin moment ciné2que intrinsèque  Fermions (e-­‐ , p, n, quark,…)  spin ½  Boson  spin en2er: Higgs (spin 0), photon (spin 1), W±, Z (spin 1) Les deux classes de par2cules dans la Nature • Les fermions, par2cules au comportement individualiste: jamais 2 par2cules dans le même état. (e-­‐ , p, n, quark,…) Sta2s2que Fermi-­‐Dirac. Enrico Fermi (1901-­‐1954) Paul Dirac (1902-­‐1984) • Les bosons, par2cules au comportement grégaire, qui peuvent s’accumuler en nombre arbitrairement grand dans le même état (photon, atomes d’hydrogène,…) Sta2s2que Bose-­‐Einstein. Satyendranath Bose Albert Einstein (1894-­‐1974) (1879-­‐1955) Les accélérateurs Ernest O. Lawrence (1901-­‐1958)
tenant le premier cyclotron, vers 1930 Infla2on de par2cules !!! Toutes élémentaires ???? Un zoo de par2cules • Leptons : e±, μ±, τ±, νe,νμ,ντ (interac2ons e.m. ou faibles) • Hadrons : mesons (π,K,ρ,…..) baryons (p,n, Δ,Σ,….) (interac2ons fortes, e.m., faibles) • « Young man, if I could remember the names of these par=cles, I would have been a botanist! » Enrico Fermi à son étudiant (et futur Prix Nobel) Leon Lederman • 1964 Gell-­‐Mann mets de l’ordre dans les hadrons avec un principe de symétrie • Avec 3 quarks (Le terme "quark" provient d'une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce : « Three Quarks for Muster Mark ! ) il classifie toutes les par2cules Nom Charge Q spin Etrangeté S u (up) ⅔ ½ 0 d (down) −⅓ ½ 0 s (strange) −⅓ ½ -­‐1 Murray Gell-­‐Mann (1929-­‐ ) Baryons : qqq Mesons : q q
Symétries Symétries géométriques de l’espace • Symétries discrètes Miroir Rota2on de 60o • Symétries con2nues Transla2on Symétries et lois de conserva2on • Théorème de Noether : lorsqu’un système physique est invariant vis-­‐à-­‐vis d’une transforma2on con2nue, il lui correspond une grandeur physique conservée. • A chaque symétrie con2nue, correspond une loi de conserva2on et vice versa Symétrie ConservaGon Transla2on dans l’espace Quan2té de mouvement p Rota2on dans l’espace Moment ciné2que L Transla2on dans le temps Energie Symétrie de jauge Charge électrique Q Emmy Noether (1882-­‐1935) Les quarks existent-­‐ils??? • Preuve par l’expérience e- p e- X (X = hadrons produits) • Les protons ont un diamètre d’environ de 10-­‐15 m. Pour résoudre la structure interne du proton, il faut alors une sonde de longueur d’onde inférieure à ceŽe dimension. La rela2on de De Broglie λ = h/ p permet de calculer l’impulsion minimale que ceŽe sonde devrait avoir : avec λ = 10-­‐15 m, l’électron e- doit avoir une impulsion (ou quan2té de mouvement) p d’au moins 10 MeV. • Toutefois une impulsion de l’ordre du GeV est requise afin de révéler la structure du proton. En effet, ceŽe énergie est nécessaire pour obtenir une réac2on inélas2que, dans laquelle des hadrons sont produits à par2r de nucléons. Sans celle-­‐ci, le nucléon recule comme un seul objet et sa structure interne demeure voilée. • L'accélérateur de Stanford, mis en service en 1967, permet d'obtenir des faisceaux d'électrons aŽeignant des énergies de 20 GeV. Le temps très court (lié au grand transfert d'énergie) de la pénétra2on de l'électron à l'intérieur du proton, permet de voir, avec une résolu2on quasi instantanée, comment les charges électriques de ce dernier y sont distribuées. Expérience e- p
e- X (SLAC 1967) L'expérience consiste à détecter, à l'aide d'un spectromètre magné2que, uniquement les électrons diffusés à différents angles par une cible d'hydrogène. Le résultat est surprenant : on observe à grand angle un nombre d'électrons diffusés « inélas2quement » beaucoup plus important qu'il ne le serait si le proton était homogène et de structure étendue. Comme dans l'expérience de Rutherford, ces collisions extrêmement violentes résultent de chocs frontaux entre l'électron ponctuel et des inclusions dures à l'intérieur du proton. L'existence de centres ponctuels chargés électriquement à l'intérieur du proton a ainsi été révélée, Richard Feynman les appelle partons, mais ils sont vite iden2fiés comme étant des quarks. Expériences DIP : la structure du proton Les expériences de Diffusion Inélas2que Profonde avec des sondes variées, à SLAC, CERN (μ-­‐,νμ), HERA(e+,e-) mesurent toutes les composantes du proton Distribu2on des quarks et de gluons (g) à l’intérieur du proton À ce jour, toutes les expériences ont montré que les quarks sont quasi libres à l'intérieur des hadrons, mais qu'ils y restent confinés, et demeurent inobservables à l'extérieur des hadrons. Pour comprendre ce fait, il faut avoir recours à une nouvelle théorie quan=que, la chromodynamique (QCD). Les par2cules élémentaires (2016) Masse Spin Charge Q , B, L, S 3 généra2ons ? • Preuve par l’expérience : la forme du Z à LEP (e+e- Z ) • Le Z a un temps de vie très court, il se désintègre : Z e+e- , Z μ+μ-­‐ , Z τ+τ-­‐ , Z ν ν , Z qq hadrons • Sa forme nous permet de dire si on a oublié quelque chose En noir les points expérimentaux En couleur les prédic2ons en fonc2on du nombre de généra2ons Bibliographie YouTube Murray Gell-­‐Mann : Sur la beauté et la vérité en physique Murray Gell-­‐Mann : On the quark model La découverte de l’électron (2014) Histoire de la découverte de l’atome (2013)