Les constituants élémentaires de la matière

1. Les constituants élémentaires de la matière Série d’exposés - Unité "Découverte" USTHB - Licence SM - 1ère année Année universitaire 2009-2010 Chafik Benchouk USTHB – Faculté de Physique Laboratoire Sciences Nucléaires et Interaction Rayonnement-Matière

2. Version : 01 (05-05-2010) Enseignements 2009-2010 : 1er semestre : sections 5,6,7,8,C (2 séances) 2èmesemestre : sections 1, 3, A et B Contact : Faculté de Physique, salle PH-1-34 email : chafik_benchouk@yahoo.fr

3. Les particules élémentaires contemporainesConcepts et outils Exposé 2

4. 1ère partie Les concepts (les principes physiques d'organisation)

5. Histoire des constituants élémentaires Les constituants élémentaires de la matière II

6. Les briques de la matière • Les(12)particules élémentaires contemporaines(…début 2010) Les constituants élémentaires de la matière II

7. Les ciments de la matière • Les(4)interactions fondamentales connues Les constituants élémentaires de la matière II

8. Unité de masse du monde des particules élémentaires eV ≡ électron-Volt • Application de l'équivalence masse-énergie • Résultat de la théorie de la relativité restreinte • célèbre relation E = m c2 (Einstein, 1905) • Noter : multiples de l'eV (électron-Volt) keV (103 eV) k ≡ kilo MeV (106 eV) M ≡ méga GeV (109 eV) G ≡ giga TeV (1012 eV) T ≡ tera Les constituants élémentaires de la matière II

9. Rappel ("élémentaire") : énergie électrostatique • Voir cours d'électricité (S2) : Energie potentielle d'une charge électrique q se trouvant en un point de potentiel (électrique) V (en général, référence = point à l'∞ de potentiel nul) ou énergie acquise par une charge q soumise à une différence de potentiel V : W = q V • Si V= 1 volt, W = q (joule) • charge élémentaire (celle de beaucoup de particules) :1.6 10-19 C À suivre (outils) : • accélération (électrique) des particules Les constituants élémentaires de la matière II

10. (1er) exemple de lien (fondamental)entre grandeurs physiques • Imaginer un système physique caractérisé par une vitesse "universelle" de ses composants vc : • À chaque objet physique de masse m, on peut alors associer une énergieE= m · vc2 (se rappeler en mécanique l'énergie cinétique E = ½ m · v2 ) • Découverte de la théorie de la relativité restreinte (Einstein, 1905) : • Lien entre l'espace (dimension longueur) et le temps • Grandeur physique assurant le lien : vitesse-de-la-lumière c • Lien entre masse et énergie (via c2) Noter : • Le lien entre masse et énergie n'est pas simplement d'ordre dimensionnel ; il est physique (transformation de masse en énergie et vice-versa) Les constituants élémentaires de la matière II

11. Unité de charge électrique (du monde des particules élémentaires) e = + 1.6 10-19 C • cf exposé 1 (2ème partie) • électron : Q = -1 (sous-entendu Q = - e = - 1.6 10-19 C) • proton : Q = + 1 • Noter : notation habituelle : Q Les constituants élémentaires de la matière II

12. Les briques légères de la matière : les leptons chargés • L'électron et ses cousins chargés(de charge électrique -1) • étymologie : lepton ≡ léger (en grec) ; • étymologie d'origine car masse du t > masse du proton Les constituants élémentaires de la matière II

13. Une grande question de la physique contemporaine : "pourquoi" existe-t-il deux cousins de l'électron ? • 3 "générations" de leptons • Pourquoi 3 et pas plus ni moins ? A suivre: • également 3 générations de quarks • et égalité du nombre de générations de leptons et de quarks obligatoire dans les théories actuelles Les constituants élémentaires de la matière II

14. Où trouve-t-on les leptons chargés ? • l'électron : dans la matière "ordinaire" (atomes sur Terre) • Rappel : découvert par J.J. Thomson en 1897 • le muon : dans la "pluie" de rayons cosmiques qui arrive sur Terre • Environ 1 muon par cm2 et par seconde à la surface de la Terre • Rappel : muon découvert en 1937 dans les rayons cosmiques • Le tau : découvert "plus récemment" (1976) dans les collisions produites dans les accélérateurs de particules • Noter : les trois leptons chargése, m et t sont étudiés en détail auprès des accélérateurs (où il est plus facile de contrôler les conditions d'expérience) mais sont également produits dans les réactions se produisant dans les étoiles (et les phénomènes cosmiques) Les constituants élémentaires de la matière II

15. Rayon cosmique interagissant avec l'atmosphère Les constituants élémentaires de la matière II

16. Des leptons neutres : les neutrinos • Frère et cousins neutres(de charge électrique nulle) de l'électron : • Noter : expériences récentes (difficiles à réaliser) : les neutrinos ont peut-être une masse (quelques eV) ; à confimer (par les futurs chercheurs)! Les constituants élémentaires de la matière II

17. Quelles charges/Quelles interaction pour les neutrinos ? • Les trois neutrinos ne , nm ,nt: • masse ~ 0 → pas d'interaction gravitationnelle • charge électrique = 0 → pas d'interaction électromagnétique • Comment observer (détecter) alors le neutrino ? • Comment le neutrino interagit-il avec la matière (d'un détecteur) ? • le neutrino doit être porteur d'une (nouvelle) charge • le neutrino doit être sensible à une (nouvelle) interaction Les constituants élémentaires de la matière II

18. Une nouvelle interaction : l'interaction faible Une nouvelle charge : la charge faible • Interaction faible : Force (universelle) entre les particules de matière, mais • intensité faible (voir tableau des interaction ci-dessus) (les neutrinos cosmiques traversent la Terre presquesans interagir) • portée courte : 10-2 fm (plus courte que celle de l'interaction forte • leptons chargés et neutrinos portent une charge "faible"(appelée Qf dans cet exposé) qui détermine l'intensité de leur interaction "faible" Les constituants élémentaires de la matière II

19. Particules instables Observation expérimentale • Les temps de vie tels que celui du muon et même celui du tau sont mesurables en laboratoire avec les détecteurs de particules élémentaires Les constituants élémentaires de la matière II

20. (premiers) Exemples de réactions de désintégration • Désintégration du muon: m→ e nenm • Désintégrations du tau: t→ e nent t→ mnmnt Noter: • L'interaction à l'origine de telles désintégrations est l'interaction faible (puisque les neutrinos n'interagissent que par interaction faible) • C'est parce que l'interaction est "faible" (relativement "peu probable") que les temps de vie sont relativement longs (1 ms pour le muon) • Ecriture (ci-dessus) des réactions légèrement erronée (A SUIVRE !) Question(se rappeler réactions chimiques) : • Qu'est-ce qui peut bien se conserver dans de telles réactions ? Les constituants élémentaires de la matière II

21. Nombres quantiques ≡ Nombres d'idendité(cas des leptons) Les constituants élémentaires de la matière II

22. Des leptons par couples(en "doublets" en langage savant) Les constituants élémentaires de la matière II

23. (premiers) Exemples de lois de conservation • Loi de conservation de la charge électrique Q: m-→ e-nenm t-→ e-nent t-→ m-nmnt • Loi de conservation des nombres leptoniques Le,Lm , Lt • Ecriture correctedes réactions de désintégration: m-→ e-nenm t-→ e-nent t-→ m-nmnt Les constituants élémentaires de la matière II

24. A chaque particule une antiparticule Les constituants élémentaires de la matière II

25. A chaque désintégration une désintégration-miroir • Réactions de désintégration: m-→ e-nenm t-→ e-nent t-→ m-nmnt • Réactions de désintégrationsymétriques: m+→ e+nenm t+→ e+nent t+→ m+nm nt A noter: Antiparticules et réactions avec antiparticules couramment observées en laboratoire (accélérateurs de particules et détecteurs associés) Les constituants élémentaires de la matière II

26. Paramètres physiques identiques pour une particule et son antiparticule • Masse: exemple:masse (e+) = masse (e-) = 0.511 MeV • Temps de vie moyen : exemple : temps de vie (m+) = temps de vie (m-)= 2.2 10-6 s mais voir diapo suivante …. Les constituants élémentaires de la matière II

27. Une grande question de la physique contemporaine : pourquoi une asymétrie particule-antiparticule dans notre monde • A partir d'un état d'énergie (symétrique)comme au moment du big-banget • Avec des taux de réaction identiques pour les particules et les antiparticules • On devrait avoir autantde particules que d'antiparticules dans l'Univers MAIS • Recherche de zones d'antimatière dans l'Univers infructueuse Théorie actuelle: • Il existe en réalité une toute petite différence (une "asymétrie") entre les taux de réaction de particules et des antiparticules qui se propage au cours du temps (à travers toutes les réactions qui se sont produites depuis la création de l'univers) pour aboutir à un univers de particules (d'où les antiparticules ont disparu) • Il n'existe donc pas dans l'Univers de zones avec une concentration d'antimatière (et des réactions d'annihilation très violentes à la frontière avec le monde de matière) Les constituants élémentaires de la matière II

28. 2ème partie Les outils (les méthodes de production et d'observation)