Aux confins de la matire Le monde des particules

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Aux confins de la matièreLe monde des particules
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•  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
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Plan

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

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La quête du fondamental

• Depuis la nuit des temps, lhomme cherche à
  appréhender les briques  fondamentales  de son
  univers
• Fondamental ???

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Structure de latome
Mécanique Quantique
10-10 m
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Strucure du noyau
10-14 m
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Structure des nucléons
Proton 2 quarks up 1 quark down
Neutron 1 quark up 2 quarks down
10-15 m
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Flash back fin 19ème siècle
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Radioactivité latome a une structure

• 1896 radioactivité
• 1911 latome a une structure interne, il est
  composé dun noyau, délectrons et de vide!
• 1930 le noyau est lui-même composé de protons et
  de neutrons
• 1969 le proton, le neutron et beaucoup dautres
  particules sont composés de quarks

Marie Curie
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Radioactivité
MmèreMfille Me Dm

•  Conservation de lénergie ?
•  Rien ne se perd rien ne se crée  ?
•  Causalité ??? 

• Emc2
• ?Dm Ee ?

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Réactions en 1930

• Debye  Oh! Il vaut mieux ne pas y penser du
  tout, comme pour les nouveaux impôts 
• Pauli prédit lexistence du neutrino découvert
  26 ans plus tard
• Etre ouvert à limprévu !

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2. De quoi le monde est-il fait?

• Les particules

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Caractéristiques dune particule

• Masse m
• Energie de masse Emc2
• Temps de vie t
• Particules stables / instables
• Largeur de désintégration Gh/t

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Caractéristiques dune particule

• Remarque
• Lunité dénergie en physique des particules est
  lélectron-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
  sélever de 1m!

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Caractéristiques dune particule

• Spin S
• Lié à la rotation de la particule sur elle-même
• Fermions S1/2, 3/2, 5/2,
• Principe de Pauli
• Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même
  état quantique
• Bosons S0, 1, 2,

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Caractéristiques dune particule

• Nombres quantiques
• Charge électrique
•  Couleur 

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Particules et antiparticules

• A toute particule est associée une antiparticule
• Masse, temps de vie, spin identiques
• Nombres quantiques opposés

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Particules élémentaires

• On connaît déjà

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• 1936-1946 Ballons avec plaques photo
• Découverte de rayonnements cosmiques
• Tout un  zoo  de nouvelles particules K,L,S
• Un nouveau tableau de Mendeleev ???

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Leptons

• 6 leptons

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Leptons

• 6 leptons
• électron

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)
• 3 neutrinos

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)
• 3 neutrinos
• 6 anti-leptons

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Quarks

• 6 quarks

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Quarks

• 6 quarks
• up et down

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom
• 3 couleurs R,B,V

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom
• 3 couleurs R,B,V
• 6 anti-quarks

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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

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Quarks

• Ils ne sobservent jamais seuls mais sassocient
  pour former des particules blanches les hadrons
• Baryon association de trois quarks
• Anti-baryon association de trois anti-quarks
• Méson association dun quark et dun anti-quark
• Pentaquarks ???

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3. Comment tout cela tient-il ensemble?

• Les interactions

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Bosons de jauge

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Quantité de mouvement et énergie

• Mécanique classique
• Quantité de mouvement
• Energie

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Conservation de la quantité de mouvement

• Lorsquune force sapplique à cet objet, sa
  quantité de mouvement varie
• Si aucune force extérieure ne sapplique, la
  quantité de mouvement totale est conservée
• Pour le système hommebateau, on a
• Lors de la désintégration dune particule au
  repos en 2 autres particules, ces dernières
  doivent donc porter des quantités de mouvement de
  sens opposé

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Quantité de mouvement et énergie

• Relativité restreinte
• Quantité de mouvement
• Energie
• Existence possible de particules de masse nulle!

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Interactions fondamentales

• Interaction
• Echange dénergie et de quantité de mouvement
  entre deux fermions via un boson de jauge

Diagramme de Feynman
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Interactions fondamentales

• Désintégration
• Annihilation / Création

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Bosons de jauge

• Photon

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Interaction électromagnétique

• Elle réunit dans un même formalisme
• Les phénomènes électriques
• Les phénomènes magnétiques
• Loptique
• Elle est responsable de la cohésion de latome

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Interaction électromagnétique

• Au niveau fondamental
• Échange de photons entre particules chargées
• Portée infinie

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Bosons de jauge

• Gluon 8 couleurs/anti-couleurs

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Interaction forte

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

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Interaction forte

• Au niveau fondamental
• Echange de gluons entre particules colorées
• Portée limitée par le confinement

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Interaction forte

• Hadronisation

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Bosons de jauge

• W-, W et Z0

???
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Interaction faible

• Au niveau fondamental
• Echange de W-, W et Z0
• Portée limitée par la masse des bosons de jauge

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Interaction faible

• Désintégration du neutron

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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 lexistence dune
  particule mystérieuse le boson de Higgs.
• Cette particule reste introuvable

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Les mystères non résolus

• Pourquoi les particules dune 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 ?
• Sunifient-elles à très haute énergie ?
• Notre univers est composé essentiellement de
  matière et non dantimatière, pourquoi ?
• Comment inclure la gravitation dans ce schéma ?

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• et bien dautres questions
• qui attendent les générations
• de physiciens à venir !!!

FIN