Particules élémentaires et interactions fondamentales

Particules élémentaires et interactions fondamentales

Gilles Cohen-Tannoudji

Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière (LARSIM) CEA-Saclay

www.gicotan.fr

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04/01/2013 Particules élémentaires et interactions

fondamentales 2

Infiniment petit

molécule

atome

noyau

nucléon

quark électron

Terre

système solaire

amas

super amas

cosmos

macromolécule

tissus

organe

organisme

groupe social

galaxie

Hiérarchie de structures emboîtées


fondamentales 3

• Tout ce qui concourt à la formation, à la cohésion ou à la désintégration des structures de l’emboîtement universel

• Tout ce qui concourt à la dynamique des processus dans lesquels ces structures ou leurs constituants sont engagés

• Exemples : conversation, match de rugby, désintégration radioactive, collision particulaire

La notion d’interaction


fondamentales 4

Les trois infinis

• Infiniment petit : physique des particules

• Infiniment grand : astrophysique, cosmologie • Infiniment complexe : hiérarchie de

disciplines; physique statistique

• Complexité : multitude d’interactions enchevêtrées

• Interactions fondamentales : celles qui gouvernent les échelles extrêmes


fondamentales 5

• La gravitation : dominante dans l’univers à

très grande échelle

• En physique des particules : trois interactions

fondamentales, l’interaction

électromagnétique, les interactions forte et

faible

Les interactions fondamentales


fondamentales 6

L’action mise en jeu dans une interaction, égale au produit de l’énergie transférée DE par la durée DT est nécessairement supérieure au quantum d’action, égal à la constante de Planck divisée par 2p :

2

hA E T

pD D D

Le quantum d’action


fondamentales 7

Infiniment bref et infiniment petit = infiniment grand en énergie

x

y

z

E T

x p

y p

z p

D D

D D

D D

D D

Les inégalités de Heisenberg


fondamentales 8

Vue aérienne du site du CERN


fondamentales 9

L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC


fondamentales 10

Les champs quantiques

• Les particules élémentaires ne sont pas des points matériels. Ce sont des quanta d’énergie d’une même entité, présente en chaque point de l'espace-temps, un champ quantique.

• Pour émettre une particule d’un type donné, il faut modifier l’énergie du champ correspondant.

• Le vide, état du champ en l’absence de quanta, est l’espace de tous les possibles.


fondamentales 11

La dualité champs/particules

Théorie quantique et

relativiste des champs

notions classiques :

• particules

de matière

• champs

d’interaction

notions nouvelles :

• particules

d’interaction

• champs de

matière •antiparticules


fondamentales 12

L’antimatière

• A partir du vide, il est impossible de produire une particule chargée, sans produire en même temps son antiparticule, identique à elle mais de charge opposée.

• Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’engloutissent dans le vide en émettant des quanta de rayonnement.


fondamentales 13

Les particules d’interaction

• Tout comme la matière, les interactions sont associées à des champs quantiques qui se manifestent sous la forme de particules qui en sont les messagers

• Le champ électromagnétique sous la forme de photons

• Le champ de l’interaction forte sous la forme de gluons

• Le champ de l’interaction faible sous la forme des bosons intermédiaires W+, W- et Z


fondamentales 14

Histoire du Modèle standard

Dates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme

Interaction

faible

Interaction

forte

17ème

siècle

Galilée, Newton Newton

19ème

siècle

Mécanique

analytique,

thermodynamique

statistique

Maxwell

1895-

1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-

1930

Mécanique

quantique

1905-

1915

Relativité Einstein

1930-

1970

Théorie quantique

des champs

Big bang QED Fermi Yukawa

1970-

2012

Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de

Glashow, Salam, Weinberg et

Brout, Englert et Higgs

QCD

2012- … Décohérence,

théorie quantique

de l’information,

Holographie

Grande unification? Supersymétrie ? Matière

sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?


fondamentales 15

Des règles strictes pour une théorie prédictive

• Le modèle standard contient toutes les règles concernant les réactions particulaires impliquant des quarks et/ou des leptons, en interaction électrofaible (théorie unifiée des interactions électromagnétique et faible) et/ou chromodynamique

• Il dépend d’un nombre fini de paramètres fixés par l’expérience

• Une fois ces paramètres déterminés, toutes les quantités phénoménologiques sont calculables

• Tous les calculs sont en accord avec l’expérience jusqu’à une énergie de près de 200GeV


fondamentales 16

La dimension temporelle: une cosmogonie scientifique


fondamentales 17

•Les constituants élémentaires de la matière: les quarks, et les leptons •les médiateurs des interactions: les bosons de jauge


fondamentales 18

Le boson BEH, la clé de voute du modèle standard


fondamentales 19

La quête de l'unité

• Partis à la recherche des pièces du puzzle spatial de la matière, c’est la dimension du temps que nous rencontrons

• D'après la cosmologie contemporaine, l'Univers est en expansion, en refroidissement et en dilution, depuis un état primordial, infiniment petit, infiniment dense et infiniment chaud, le big bang

• La soupe primordiale est décrite par la physique des particules

• Infiniment petit et infiniment bref = infiniment grand en énergie.

• Aux énergies actuellement accessibles, tout se ramène à la simplicité de champs de matière aux douze formes élémentaires s’agençant selon les quatre interactions

• Quête de l’unité: conception de l’état de l’univers où tous les champs de matière et d’interaction se fondraient en un unique superchamp


fondamentales 20

• L’univers se diluant et se refroidissant, le superchamp se défait, les champs de matière s’individualisent, les interactions se différencient, l'énergie se transforme en masse, de nouveaux états de la matière se forment dans une succession d'événements objets des recherches actuelles:

• Émergence des masses

• Condensation de la soupe de quarks et gluons en protons et neutrons

• Synthèse des noyaux légers

• Formation des atomes

• Émission du rayonnement thermique

• Formation des étoiles et galaxies

• Naissance du système solaire, de la Terre, de la vie, …

L'histoire de toute chose


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L'émergence des masses

• En relativité restreinte, l'énergie précède logiquement la masse: il y a de l'énergie sans masse; il n'y a pas de masse sans énergie

• En cosmogonie scientifique, l'énergie précède temporellement la masse: dans l'histoire de l'Univers, il y a eu une époque où aucune particule n'avait de masse.

• Enjeu du programme du LHC :étudier le mécanisme par lequel ont émergé les masses des particules, et rechercher la particule, le boson de Higgs qui lui est associée

• La découverte du boson de Higgs a été annoncée le 4 juillet 2012


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Une nature consonante avec elle-même

• L’univers se présente comme un fractal, se modifiant en fonction de l’énergie mais en restant auto-similaire

• « La nature déploie la même splendeur sans limites dans l’atome ou dans la nébuleuse, et tout moyen nouveau de connaissance la montre plus vaste et diverse, plus féconde, plus imprévue, plus belle, plus riche d’insondable immensité. » Jean Perrin , les atomes

• « And if Nature be most simple and fully consonant to her self she observes the same method in regulating the motions of smaller bodies

which she doth in regulating those of the greater. » Newton


fondamentales 23


fondamentales 24

Les atomes ne sont pas ces éléments éternels et insécables dont l'irréductible simplicité donnait au possible une borne, et, dans leur inimaginable petitesse, nous commençons à pressentir un fourmillement prodigieux de mondes nouveaux.

Les atomes, conclusion


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Deux millions de galaxies

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/image/0306/galaxies2_apm_big.gif


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http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/030628/030628B_s.jpg

http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/030628/030628B_s.jpg


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Une nouvelle sagesse


fondamentales 28

La science moderne, en éclairant les techniques s'est faite humblement utilitaire, - ne songeons pas à nous en plaindre.

Dans chaque esprit, comme un élément nécessaire à son équilibre, se trouve comprise une hypothèse cosmogonique.

Et cependant la portée d'une hypothèse cosmogonique dépasse d'une manière incommensurable la sphère de l'utile immédiat et touche à la nécessité

Préface du livre de Georges Lemaître: l'hypothèse de l'atome primitif, Ferdinand Gonseth


fondamentales 29

Les décideurs auront-ils la sagesse de continuer à soutenir l'effort de recherche

fondamentale ?

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