POURQUOI LE CERN?

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POURQUOI LE CERN?

• C. Vander Velde
• ULB
• 19 avril 2002
• Le CERN
• Contenu
• Matin
• Introduction quest-ce que le CERN?
• Quest-ce que la physique des particules?
• La structure de la matière.
• Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?
• Extraction
• expériences de diffusion
• classifications

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POURQUOI LE CERN?

• Contenu (suite)
• Matin(suite)
• Les interactions fondamentales.
• Caractéristiques
• le mécanisme déchange
• QED
• QCD
• particules virtuelles
• Le modèle standard
• Le boson de Higgs
• Au-delà du modèle standard
• Implications cosmologiques

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POURQUOI LE CERN?

• Contenu (suite)
• Après-midi
• Résumé du cours du matin.
• Les outils de la physique des particules
• Pourquoi de hautes énergies?
• Comment les obtenir?
• Les accélérateurs.
• Comment détecter des particules?
• Quelques types de détecteurs.
• Déroulement dune expérience.
• Conclusions

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Quest-ce que le CERN?

• Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
• 29 septembre 1954
• Physique des particules
• Actuellement 20 états membres

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Quest-ce que la physique des particules?

• Etude des constituants les plus ténus de la
  matière et de leurs interactions
• VIème et Vème siècle av. J.C.
• Thalès et Anaximène
• Vème siècle av. J.C.
• Leucippe et Démocrite
• atomes atomos
• XIXème siècle
• J. Dalton théorie atomique
• D.I. Mendeleïev tableau
• périodique

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Quest-ce que la physique des particules?

• Noyaux et électrons
• début du XXème siècle
• Becquerel radioactivité
• (1896)
• Thomson électron (1897)
• Rutherford noyau (1909)
• Nucléons
• Thomson proton
• Chadwick neutron
• (1932)

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Quest-ce que la physique des particules?

• Particules  élémentaires 
• les découvertes se succèdent
• ..plus de 100 particules!!!!
• Les quarks Gell-Mann (1964)

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Quest-ce que la physique des particules?

• La composition de la matière

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La structure de la matière

• La matière ordinaire
• Les quarks

Unité de masse 1 GeV/c2 1,78265 10-27 kg E
mc2 Einstein Unité dénergie 1 GeV 109 eV
1 eV 1,602 10-19J Unité de charge de fois
e (charge élémentaire) e 1,6021733 10-19
C
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La structure de la matière

• La matière ordinaire
• Les leptons
• Implique lémission dune 3ème particule de très
  faible masse et de charge nulle le neutrino.

Neutrino pour rendre compte de la radioactivité b
K énergie cinétique
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La structure de la matière

• La matière ordinaire
• Les leptons
• On écrit donc
• Le neutrino ne sera observé quen 1956!

antiparticule particule de même masse, de
charge opposée, de saveur opposée
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La structure de la matière

• La matière cosmique ou artificielle
• Les quarks
• et les antiquarks

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La structure de la matière

• La matière cosmique ou artificielle

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La structure de la matière

• La matière cosmique ou artificielle
• Les leptons
• et les antileptons

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La structure de la matière

• Résumé
• Les constituants élémentaires de la matière
• leurs antiparticules

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 1. Par extraction.
• 2. Par diffusion.
• 3. Par classification.

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 1. Par extraction la découverte de lélectron
  (J.J.Thomson - 1897)
• dans un tube à vide prévu pour étudier les
  décharges dans les gaz raréfiés. Lénergie était
  fournie aux électrons en chauffant le filament
  qui constituait la cathode
• rayon cathodique ?

A
A
C
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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 1. La découverte de l électron
• rayonnement matériel arrêté par un écran
• dévié par un aimant
• dévié par un champ électrique
• particules chargées négativement!
• la mesure des déviations conduit à une estimation
  de q/m

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 1. La découverte de lélectron
• q / m très grand grande charge ou masse très
  petite?
• expérience de la goutte dhuile (Millikan)
• e 1,602 10-19 C
• qe -e
• me mH / 2000!!!!
• Lélectron est une toute petite partie de latome!

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 1. Les expériences modernes
• particules cible
• accélérées
• détecteur
• les quarks sont liés dans les hadrons
  ils nont jamais été observés à létat
  libre!

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion principe
• cible diffuse
• cible ponctuelle
• On peut tirer des conclusions sur la forme dun
  en regardant comment des projectiles sont déviés

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion principe

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion la structure de latome
• Rutherford, Geiger et Marsden (1909)

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion la structure de latome

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion la structure de latome

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par diffusion la structure du proton
• Diffusion des électrons
• années 50-60
• Le proton a une certaine étendue dans lespace
• en 1970, à plus haute énergie (20 Gev)
• Dans le proton, il y a des grains durs!

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par classification
• exemple classement de 10 particules de
  propriétés voisines, notamment leur masse
• Q -1 0 1 2 -1 0 1
  -1 0 -1
• S 0 0 0 0 -1 -1
  -1 -2 -2 -3
• Q charge électrique S étrangeté
• Diagramme (M.Gell-Mann et Y. Neeman, 1963)

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Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

• 2. Par classification
• Les symétries observées sont dues aux quarks qui
  constituent ces particules

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Les interactions fondamentales

• 1. Quelles sont les interactions fondamentales?
• Linteraction gravitationnelle
• toujours attractive
• agit sur toute forme dénergie (ou de matière)
• intensité extrêmement faible (10-38)
• théories
• mécanique (Newton - 1687)
• relativité générale (Einstein - 1915)

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Les interactions fondamentales

• 1. Quelles sont les interactions fondamentales?
• Linteraction électromagnétique
• attractive ou répulsive
• agit sur les particules porteuses dune charge
  électrique ( ou -)
• intensité très importante (10-2)
• théories
• électromagnétisme (Maxwell -1860)
• nature quantique (Einstein - 1905)
• QED quantique et relativiste (Tomonoga,
  Schwinger, Feynman - 1948-49)

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Les interactions fondamentales

• 1. Quelles sont les interactions fondamentales?
• Linteraction forte
• attractive ou répulsive
• agit sur les quarks et les hadrons, pas sur les
  leptons.
• intensité la plus importante (1)
• théories
• noyau atomique (Rutherford -1911)
• QCD chromodynamique quantique.

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Les interactions fondamentales

• 1. Quelles sont les interactions fondamentales?
• Linteraction faible
• agit sur toutes les particules cest la seule
  force qui agit sur les neutrinos.
• intensité faible (10-5)
• théories
• interaction faible (E. Fermi - 1933)
• théorie électrofaible (Glashow, Weinberg et Salam
  - 1960-70).

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Les interactions fondamentales

• 2. Le mécanisme déchange

Les particules de matière interagissent à
distance en échangeant une particule
de rayonnement.
La portée de linteraction diminue lorsque la
masse de la particule échangée augmente.
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Les interactions fondamentales

• 3. La théorie QED
• Lélectrodynamique quantique rend compte de
  linteraction électromagnétique par léchange de
  photons.
• Exemple
• portée infinie
• QED est la théorie la mieux vérifiée, à plus de
  10 chiffres significatifs!!

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Les interactions fondamentales

• 4. La théorie electrofaible
• Interactions électromagnétiques
• (médiateur photon)
• unifie
• Interactions faibles
• (médiateurs bosons Z0, W et W-)
• Exemples

échange dun boson W- courant chargé
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Les interactions fondamentales

• 4. La théorie electrofaible
• Etapes importantes
• courants neutres observés - CERN - 1973
• bosons Z0, W et W- observés - CERN - 1983
• vérifiée avec une grande précision notamment par
  les expériences du LEP - 1989 - 2000
• (3 prix Nobel!)

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Les interactions fondamentales

• 5. La théorie QCD (chromodynamique quantique)
• Les médiateurs de linteraction forte sont les
  gluons il y en a 8.
• La force forte nagit que sur les particules
  ayant une charge de  couleur .

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Les interactions fondamentales

• 5. La théorie QCD
• Les leptons ne portent pas de charge de couleur
  ils sont  neutres  vis-à-vis de linteraction
  forte.

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Les interactions fondamentales

• 5. La théorie QCD
• Trois quarks de couleurs différentes sattirent.
  Les trois quarks des baryons sont donc de
  couleurs différentes et les baryons sont blancs.
• Le quark et lantiquark dun méson portent la
  couleur et lanticouleur correspondantes ils
  sont donc eux aussi blancs.

baryons
mésons
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Les interactions fondamentales

• 5. La théorie QCD
• Lors de léchange dun gluon, deux quarks de
  charges de couleur différentes échangent leur
  couleur

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Les interactions fondamentales

• 5. La théorie QCD
• Comportements bizarres de linteraction forte
• mais force de très courte portée
  10-15m
• (parce que les gluons interagissent entre eux)
• liberté asymptotique très proches les quarks
  ninteragissent plus, plus ils sont éloignés,
  plus leur interaction est forte confinement les
  quarks nexistent pas à létat libre.
• La force forte ressemble à un élastique
• Si on tire trop fort sur lélastique, il
   casse  et une paire quark-antiquark sort du
  vide chacun dentre eux sapparie à lun des
  quarks initials.

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Les interactions fondamentales

• 6. Particules virtuelles
• Le principe dincertitude dHeisenberg
• (1927)
• x position p quantité de mouvement
• (h constante de Planck)
• E énergie t temps
• Donc, pendant un temps très court, lincertitude
  sur lénergie peut être très grande!

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Les interactions fondamentales

• 6. Particules virtuelles

Energie non conservée pendant un temps très
court
Energie conservée
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Les interactions fondamentales

• 6. Particules virtuelles
• Exemples

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Les interactions fondamentales

• 6. Particules virtuelles
• Exemples

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Le modèle standard (SM)

• englobe tous les phénomènes naturels, sauf la
  gravitation
• théorie à la fois quantique et relativiste

Théorie électrofaible QCD modèle des quarks
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Le modèle standard (SM)

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Le modèle standard (SM)

• Le modèle standard est très bien vérifié,
  notamment par les expériences qui se sont
  déroulées au LEP. Ces expériences ont notamment
  permis de montrer quil nexistait pas de 4ème
  famille de particules qui serait encore à
  découvrir.

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Le boson de Higgs

• Ou le mystère de la masse
• Dans le modèle standard, un mécanisme est
  introduit, appelé mécanisme de Higgs (Higgs,
  Brout et Englert), pour rendre compte des masses
  des particules. Ce mécanisme implique lexistence
  dune particule supplémentaire
• le boson de Higgs, à laquelle est associée un
  champ, le champ de Higgs.

le champ de Higgs
une particule le traverse
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Le boson de Higgs

• Ou le mystère de la masse

la particule acquiert sa masse
rumeur
boson de Higgs encore à découvrir!
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Au-delà du modèle standard

• Le SM nest pas la théorie ultime
• nenglobe pas la gravitation
• pourquoi 3 familles de fermions?
• ne prédit pas leur masse
• nunifie pas toutes les forces
• Les théories de grande unification (GUT)

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Au-delà du modèle standard

• La Supersymétrie
• quark squark
• lepton slepton
• Particules supersymétriques pas encore observées!

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Les implications cosmologiques

• Lunivers est en expansion
• Hubble (1929) les galaxies se fuient
• L énergie diminue lunivers se refroidit.
• 10-9 s après le big-bang
• E200Gev, comme auprès des accélérateurs actuels

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Les implications cosmologiques

• Lhistoire de lunivers en bref
• t0 moment du big-bang
• t0 10-12 s 1000 GeV
• avec très légèrement plus de matière
• un peu plus tard il ny a plus assez dénergie
  pour créer une paire quark-antiquark, seuls
  restent quelques quarks

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Les implications cosmologiques

• Lhistoire de lunivers en bref
• t0 10-2 s 1 GeV
• Les nucléons se
• forment sous
• leffet de la
• force forte.
• t0 100s 100 eV ou 1 milliard de degrés
• nucléosynthèse
• deutérium hélium

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Les implications cosmologiques

• Lhistoire de lunivers en bref
• t0 30 minutes
• t0 700.000 ans 3000 degrés
• Les atomes les plus
• simples se forment sous
• leffet de la force é.m.

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Les implications cosmologiques

• Lhistoire de lunivers en bref
• puis, plus tard les agglomérats de matière sous
  leffet de la force gravitationnelle.étoiles,
  . galaxies, .planètes, .la vie!