Le monde des particules

1. Le monde des particules

2. « What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. » Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter

3. Plan 1. Plongée au cœur de la matière 2. De quoi le monde est-il fait ? Les particules 3. Comment tout cela tient-il ensemble ? Les interactions 4. Perspectives…

4. 1. Plongée au cœur de la matière

5. La quête du fondamental • Depuis la nuit des temps, l’homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers • Fondamental = ???

6. Structure de l’atome

7. Electron Interaction électromagnétique Noyau Structure de l’atome Mécanique Quantique 10-10m

8. Proton Interaction forte Neutron Strucure du noyau 10-14m

9. Interaction forte Structure des nucléons Proton : 2 quarks up 1 quark down Neutron : 1 quark up 2 quarks down 10-15m

10. 2. De quoi le monde est-il fait? Les particules

11. Masse m Energie de masse E=mc2 Temps de vie τ Particules stables / instables Largeur de désintégration Γ=ħ/τ Caractéristiques d’une particule

12. Caractéristiques d’une particule Remarque : • L’unité d’énergie en physique des particules est l’électron-volt: 1 eV = 1,6.10-19 J • On utilise également le KeV, le MeV, le GeV et le TeV • 100 TeV = Energie dépensée par un moustique pour s’élever de 1m!

13. Caractéristiques d’une particule • Spin S • Lié à la rotation de la particule sur elle-même • Fermions : S=1/2, 3/2, 5/2, … Principe de Pauli : Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même état quantique • Bosons : S=0, 1, 2, …

14. Caractéristiques d’une particule • Nombres quantiques • Charge électrique • « Couleur » • …

15. Particules et antiparticules A toute particule est associée une antiparticule • Masse, temps de vie, spin identiques • Nombres quantiques opposés

16. Quark up Quark down Electron Particules élémentaires On connaît déjà :

17. Particules élémentaires On connaît déjà : Photon

18. Leptons 6 leptons :

19. Leptons 6 leptons : • électron

20. Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s)

21. Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s)

22. Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s) • 3 neutrinos

23. Leptons 6 leptons : • électron • muon (τ = 2.10-6 s) • tau (τ = 3.10-13 s) • 3 neutrinos + 6 anti-leptons

24. Quarks 6 quarks :

25. Quarks 6 quarks : • up et down

26. Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange

27. Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom

28. Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V

29. Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V + 6 anti-quarks

30. Quarks 6 quarks : • up et down • charm et strange • top et bottom × 3 couleurs R,B,V + 6 anti-quarks × 3 anti-couleurs R,B,V

31. Quarks Ils ne s’observent jamais seuls mais s’associent pour former des particules blanches : les hadrons • Baryon = association de trois quarks • Anti-baryon = association de trois anti-quarks • Méson = association d’un quark et d’un anti-quark • Pentaquarks ???

32. Bosons de jauge

33. Bosons de jauge • Photon

34. Bosons de jauge • Gluon × 8 couleurs/anti-couleurs

35. Bosons de jauge • W-, W+ et Z0 ???

36. 3. Comment tout cela tient-il ensemble? Les interactions

37. Quantité de mouvement et énergie • Mécanique classique : • Quantité de mouvement • Energie

38. Quantité de mouvement et énergie • Relativité restreinte : • Quantité de mouvement • Energie Existence possible de particules de masse nulle!

39. Interactions fondamentales • Interaction : Echange d’énergie et de quantité de mouvement entre deux fermions via un boson de jauge Diagramme de Feynman

40. Interactions fondamentales • Désintégration • Annihilation / Création

41. Interaction électromagnétique • Elle réunit dans un même formalisme • Les phénomènes électriques • Les phénomènes magnétiques • L’optique • Elle est responsable de la cohésion de l’atome

42. e- e- γ e- e- Interaction électromagnétique • Au niveau fondamental : Echange de photons entre particules chargées Portée infinie

43. Interaction forte • Elle est responsable de la cohésion • des nucléons dans le noyau atomique • des quarks et anti-quarks dans les hadrons

44. u (B) u (R) g (RB) d (B) d (R) Interaction forte • Au niveau fondamental : Echange de gluons entre particules colorées Portée limitée par le confinement

45. Interaction forte • Hadronisation :

46. νe νe e- νe W+ Z0 d d u d Interaction faible • Au niveau fondamental : Echange de W-, W+ et Z0 Portée limitée par la masse des bosons de jauge

47. d u e- νe Interaction faible • Désintégration du neutron :

48. Le boson de Higgs • Un boson de jauge doit avoir une masse nulle, or les bosons W-, W+ et Z0 sont massifs • Le problème peut être contourné grâce au « mécanisme de Higgs » • Ce mécanisme de Higgs entraîne l’existence d’une particule mystérieuse : le boson de Higgs. • Cette particule reste introuvable…

49. 4. Les mystères non résolus…

50. Les mystères non résolus • Pourquoi les particules d’une même « famille » ont-elles des masses si différentes ? Pourquoi existe-t-il trois « générations » dans chaque « famille » ? • Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ? • Comment inclure la gravitation dans ce schéma ?