Interactions fondamentales et particules élémentaires

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  • Interactions fondamentales et particules lmentaires

    Luc Louys

  • Interactions fondamentales et particules lmentaires 2

    Table des matires

    Table des matires ............................................................................................................... 2 1. Introduction................................................................................................................... 3 2. Les lments de base - Rappel des units .................................................................... 4

    2.1. quivalence masse - nergie................................................................................ 4 2.2. Dualit onde - corpuscule..................................................................................... 5

    1) La lumire onde............................................................................................... 5 2) La lumire corpuscule ..................................................................................... 5

    3. Les quatre interactions fondamentales ........................................................................ 6 3.1. La 1re interaction : la force de gravitation........................................................... 6 3.2. La 2e interaction : la force lectromagntique..................................................... 6 3.3. La 3e interaction : la force nuclaire forte ........................................................... 8 3.4. La 4e interaction : la force nuclaire faible.......................................................... 8

    4. Lintensit des quatre forces........................................................................................10 5. La propagation des interactions - Leurs messagers....................................................11

    5.1. Propagation sous forme donde...........................................................................11 5.2. Les particules messagres ..................................................................................12

    1) La force lectromagntique ............................................................................12 2) La gravitation.................................................................................................12 3) Linteraction forte...........................................................................................12 4) Linteraction faible .........................................................................................13

    6. Les relations dincertitude de Heisenberg...................................................................14 6.1. Premire relation dincertitude (position - vitesse)............................................14 6.2. Deuxime relation dincertitude (nergie - temps).............................................15

    7. Les particules lmentaires.........................................................................................17 7.1. Introduction ........................................................................................................17 7.2. Classifications des particules .............................................................................17

    1) Classification historique ou classification par masse....................................17 2) Classification par sensibilit aux interactions ..............................................18 3) Classification des hadrons par produits de dsintgration...........................19 4) Classification des hadrons par vitesse de dsintgration .............................19 5) Classification des hadrons par isospin ......................................................19 6) Classification des hadrons en octets (eightfold way).....................................20

    8. La structure des hadrons.............................................................................................21 1) Les msons (1 quark et 1 antiquark) .............................................................22 2) Les baryons (3 quarks) ...................................................................................23 3) La particule charme c ..............................................................................24 4) Les derniers quarks et les derniers leptons...................................................25

    9. La chromodynamique quantique.................................................................................27 10. Vers la grande unification............................................................................................29 11. Tableaux rcapitulatifs ................................................................................................32

    11.1. Quelques constantes fondamentales ..................................................................32 11.2. Les quatre interactions fondamentales..............................................................32 11.3. Classement des particules lmentaires et des particules dinteractions .........33

    12. Bibliographie................................................................................................................35

  • Interactions fondamentales et particules lmentaires 3

    1. Introduction

    Lorsquon aborde ltude de la structure de la matire et de lunivers, on se rfre trois thories fondamentales qui ont vu le jour au dbut du XXe sicle :

    la thorie de la relativit restreinte (1905) dont llment central est linvariance de la vitesse de propagation de la lumire dans le vide c et qui a conduit la fameuse quation dEinstein o il apparat que la masse dun corps nest autre quune forme dnergie gale cette masse multiplie par le carr de la clrit de la lumire (E = mc2). Ainsi, la thorie de la relativit restreinte permet dtablir que le temps et la masse ne sont pas des invariants. Cest la vitesse de la lumire qui est invariante, quel que soit le rfrentiel.

    la thorie de la relativit gnrale (1915) est une gnralisation de la thorie prc-dente. Il en rsulte que les mtriques de lespace et du temps vont se trouver modi-fies en fonction de la prsence de masse.

    la thorie des quanta (1926) (mcanique ou physique quantique) que lon rencontre lorsquon sintresse la structure microscopique de la matire. Llment central de la thorie est h la constante de Planck, qui va tablir un lien entre lnergie dune particule et la frquence de londe qui lui est associe.

    Ces trois thories ont permis de mieux comprendre et de quantifier les forces qui rgis-sent lunivers, les quatre interactions fondamentales (en fait, on en connaissait dj deux lorsque ces thories ont merg).

    ce jour, les scientifiques cherchent unifier ces quatre forces, cest--dire les intgrer dans un systme thorique densemble : thorie de la Grande Unification (G.U.T.) et thorie du Tout (la gravitation comprise). Mais, on en est encore loin !

  • Interactions fondamentales et particules lmentaires 4

    2. Les lments de base - Rappel des units

    2.1. quivalence masse - nergie

    On ne peut se passer de la clbre relation dquivalence masse - nergie due Einstein :

    E = mc2

    o, dans le Systme International dunits (SI) que nous utiliserons systmatiquement par la suite (sauf avis contraire), la masse m sexprime en kg et la clrit de la lumire c en m/s (c = 299 792 458 m/s). Lnergie est alors exprime en

    2 22

    mkg m = kg m s = J (joule)

    s

    Rappelons que :

    - le newton (N) est lunit SI de force. Un newton est la force communiquant une accl-ration de 1 m/s2 une masse de 1 kg (1 N = 1 kg 1 ms2) ;

    - le joule (J) est lunit SI de travail, dnergie ou de quantit de chaleur. Un joule est le travail dune force dun newton dplaant son point dapplication dun mtre dans son propre sens (1 J = 1 N 1 m).

    Toutefois, parler en kg ou en J lorsque lon traite de masses extrmement petites (parti-cules lmentaires comme un nuclon, un lectron, ...) nest gure commode. Dans ce cas, on a pris lhabitude dexprimer la masse laide dune unit dnergie quivalente beau-coup plus petite et mieux adapte, llectronvolt. Cette unit ne fait pas partie du SI ;

    - llectronvolt (eV) est une unit dnergie. Elle est gale lnergie acquise par un lectron soumis une diffrence de potentiel de 1 volt (V) ;

    - le coulomb (C) est lunit SI de quantit de charge lectrique. Cest la quantit dlec-tricit fournir en une seconde pour produire un courant dune intensit de 1 ampre (A). La charge lectrique lmentaire e (celle de llectron, en valeur absolue) vaut 1,602 1019 C.

    Ds lors, lnergie acquise par une particule charge tant gale au produit de sa charge lectrique (en coulomb) par la diffrence de potentiel laquelle elle est soumise (en volt), on peut comparer llectronvolt au joule (1 eV = 1,602 1019 J).

    Remarque : un ampre reprsente un nombre considrable dlectrons circulant dans un conduc-teur ; un courant dune intensit de 1,602 A est produit par 1019 lectrons traversant la section de ce conducteur en 1 s.

    Llectronvolt est donc lquivalent dune masse extrmement petite (E = 1 eV m = 1,78 1036 kg). Cest la raison pour laquelle on aura, la plupart du temps, recours des multiples de llectronvolt : le kilolectronvolt (keV ou 103 eV), le mgalectronvolt (MeV ou 106 eV), le gigalectronvolt (GeV ou 109 eV) et le tralectronvolt (TeV ou 1012 eV).

    Remarque : on espre que le futur acclrateur de particules du C.E.R.N. Genve, le L.H.C. (Large Hadron Collider), pourra atteindre une nergie de 9 TeV vers 2004.

    Exprime dans cette unit, la masse du proton vaut 938 MeV (valeur plus aise mani-puler que 1,67 1027 kg). Celle de llectron vaut 0,511 MeV ou 0,91 1030 kg (il sagit,

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    comme dans tous les cas, de masse au repos !). Ce dernier nombre mrite dtre rappro-ch dune autre masse fameuse, celle du Soleil, soit 2 1030 kg !

    2.2. Dualit onde - corpuscule