S

Particules et interactions

Bref état des lieux de la physique des particules

Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique Badaud

De quoi est fait le monde ? 

Question qui a occupé (et occupe encore) bien des gens

Visions des grecs anciens (Empédocle)

4 éléments : le feu, la terre, l’air et l’eau 2 forces : l’amour et la haine

Concept d’atome (Démocrite)

Indivisibles et immuables Petits, élémentaires et pleins, entourés de

vide dans lequel ils peuvent se déplacer2

3

Révolution scientifique

Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée, Pascal, etc.)

4

Attitude scientifique

Attitude qui consiste à baser ses croyances sur des faits établis

plutôt que sur des désirs, des traditions et des préjugés

(Russell)

XIXème siècle

5

Mendeleïev

Dalton : chaque élément est un atome différent

6

Structure de l’atome

Atome constitué de deux parties :

Électrons

Noyau

~10-10 m

7

Le noyau atomique

Le noyau n’est pas insécable

Constitué de protons et de neutrons

Protons et neutrons composés de quarks

A

Z X

~10-14 m

8

Structure des nucléons

Protons et neutrons composés de 3 quarks

~10-15 m

9

La matière à l’échelle subatomique

Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires

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Interactions fondamentales

Interaction électromagnétiq

ue Interaction gravitationnelle

Interaction forteInteraction

faible

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12

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

Existe entre des particules qui portent des charges électriques Exemple : interaction entre électrons

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 u

Quark

u

Quark

d

Assure la cohésion du noyau

Particules médiatrices : GLUONS

Ces derniers agissent comme de la « colle »

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Interaction faible

Existe entre toutes les particules

Exemple : désintégration radioactive β

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

27 protons33 neutrons

28 protons32 neutrons

neutron proton + e- +ν

18

Radioactivité β

Médiateur de l’interaction faible : le W

Proton

Neutron

e-

ν

udd

udu

W-

19

Résumé

Particules de matière (quarks, électrons,

neutrinos)

fermions

2 types de particules

Particules d’interaction(photon, gluons, W+, W-, Z)

bosons

Ferm

ion

s Boson

s

21

S

Le modèle standardde la physique des

particules

22

Le Modèle Standard

Modèle Standard décrit les particules élémentaires et leurs interactions

Elaboré dans les années 1960-70

Testé expérimentalement avec une grande précision

Modèle Standard

Sym

étr

ie

Rela

tivé

Qu

an

tiq

ue

23

24

Et le boson de Higgs ?

Masse : quantifie l’inertie d’un corps

Boson de Higgs confère de la masse à certaines particules Plus l’interaction avec le Higgs est forte, plus la masse est grande Particule de masse nulle (ex : photon) n’interagit pas avec le boson

de Higgs

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Histoire de

l’univers

Formation grandes

structures et

nucléosynthèse stellaire

Soupe primordialeFormation nucléons Nucléosynthèse

primordiale Recombinaison

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Matière et énergie noire

27

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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Conclusions

2 types de particules : matière (fermions) et interaction (bosons)

Boson de Higgs responsable de la masse des particules

Théorie actuelle qui décrit tout cela : Modèle standard

29

S

BACKUP SLIDESALWAYS USEFUL !!

30

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.

31

S

Un bref historique

Un bref historique (1/4)

1898 : Découverte de l’électron (J.J. Thomson) : la première particule

1905 : Explication de l’effet photoélectrique (A. Einstein) Photon = Quantum de lumière

1919 : Découverte du proton (E. Rutherford)

1921 : Réalisation du fait que l’existence du noyau atomique est liée à l’interaction forte

1923 : Découverte de l’effet Compton Les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des

particules

1928: Equation de Dirac (prédiction de l’existence du positron)

1930 : Prédiction de l’existence du neutrino (E. Fermi, désintégrations )𝛃

1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)

Un bref historique (2/4)

1932- 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion.

1946-1950 : Formulation de la théorie quantique de l’électromagnétisme (QED)

1951 : Découverte des particules « étranges » (quark s)

1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan)

1954 : Invention des théories de jauge non-abéliennes (Yang-Mills) Théorie de l’interaction forte (QCD)

1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu)

1962 : Découverte de neutrino muonique Plusieurs « familles » de particules aux propriétés comparables

Un bref historique (3/4) 1960-1970: Découverte de centaines de particules

Réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks

1964 : Découverte de la violation de CP (symétrie matière-antimatière)

1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible (Glashow, Salam, Weinberg) → Les débuts du Modèle Standard

1974 : Découverte de la résonance J/ψ (quark c)

1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b) Troisième famille de quarks

1976 : Découverte du lepton 𝛕 Troisième famille de leptons

1979 : Première trace expérimentale des gluons (PETRA à DESY)

Un bref historique (4/4) 1983 : Découverte des bosons W et du Z au CERN

1990-2000 : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN grâce au LEP (collisionneur e+e- ; le LHC utilise le tunnel du LEP) Trois familles de neutrinos légers, prédiction de la masse du quark

top…

1989 : Premières discussions sur la construction du LHC

1995 : Découverte du quark top à Fermilab

1998 : Découverte des oscillations de neutrinos à Super-Kamiokande Les neutrinos ont une masse non nulle

2000 : Découverte du neutrino tauique par l’expérience DONUT (Fermilab)

2007 : Premières prises de données avec le LHC