Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Basé sur des...
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S
Particules et interactions
Bref état des lieux de la physique des particules
Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique Badaud
![Page 2: Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique.](https://reader035.fdocuments.fr/reader035/viewer/2022062512/551d9ddd497959293b8e8f5a/html5/thumbnails/2.jpg)
De quoi est fait le monde ?
Question qui a occupé (et occupe encore) bien des gens
Visions des grecs anciens (Empédocle)
4 éléments : le feu, la terre, l’air et l’eau 2 forces : l’amour et la haine
Concept d’atome (Démocrite)
Indivisibles et immuables Petits, élémentaires et pleins, entourés de
vide dans lequel ils peuvent se déplacer2
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3
Révolution scientifique
Une connaissance scientifique repose sur l’expérience (Boyle, Galilée, Pascal, etc.)
![Page 4: Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique.](https://reader035.fdocuments.fr/reader035/viewer/2022062512/551d9ddd497959293b8e8f5a/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Attitude scientifique
Attitude qui consiste à baser ses croyances sur des faits établis
plutôt que sur des désirs, des traditions et des préjugés
(Russell)
![Page 5: Particules et interactions Bref état des lieux de la physique des particules Basé sur des transparents préparés pour l’essentiel par Loïc VALERY et Frédérique.](https://reader035.fdocuments.fr/reader035/viewer/2022062512/551d9ddd497959293b8e8f5a/html5/thumbnails/5.jpg)
XIXème siècle
5
Mendeleïev
Dalton : chaque élément est un atome différent
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6
Structure de l’atome
Atome constitué de deux parties :
Électrons
Noyau
~10-10 m
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7
Le noyau atomique
Le noyau n’est pas insécable
Constitué de protons et de neutrons
Protons et neutrons composés de quarks
A
Z X
~10-14 m
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8
Structure des nucléons
Protons et neutrons composés de 3 quarks
~10-15 m
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9
La matière à l’échelle subatomique
Pour le moment l’électron et les quarks sont élémentaires
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Interactions fondamentales
Interaction électromagnétiq
ue Interaction gravitationnelle
Interaction forteInteraction
faible
11
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Qu’est-ce qu’une interaction ?
Isaac Newton Vision classique : action instantanée à distance
Vision moderne : échange de particules
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Interaction électromagnétique
Existe entre des particules qui portent des charges électriques Exemple : interaction entre électrons
Particule médiatrice de cette interaction : PHOTON
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Exemple interaction entre 2 e-
e- e-
Interaction entre les électrons pas instantanée Une particule est échangée : elle porte l’interaction
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Interaction forte
Quark u
Quark
u
Quark
d
Assure la cohésion du noyau
Particules médiatrices : GLUONS
Ces derniers agissent comme de la « colle »
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Interaction faible
Existe entre toutes les particules
Exemple : désintégration radioactive β
Particules médiatrices :
W+, W-, Z
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Radioactivité β
Radioactivité: Phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers
27 protons33 neutrons
28 protons32 neutrons
neutron proton + e- +ν
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Radioactivité β
Médiateur de l’interaction faible : le W
Proton
Neutron
e-
ν
udd
udu
W-
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Résumé
Particules de matière (quarks, électrons,
neutrinos)
fermions
2 types de particules
Particules d’interaction(photon, gluons, W+, W-, Z)
bosons
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Ferm
ion
s Boson
s
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S
Le modèle standardde la physique des
particules
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22
Le Modèle Standard
Modèle Standard décrit les particules élémentaires et leurs interactions
Elaboré dans les années 1960-70
Testé expérimentalement avec une grande précision
Modèle Standard
Sym
étr
ie
Rela
tivé
Qu
an
tiq
ue
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23
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24
Et le boson de Higgs ?
Masse : quantifie l’inertie d’un corps
Boson de Higgs confère de la masse à certaines particules Plus l’interaction avec le Higgs est forte, plus la masse est grande Particule de masse nulle (ex : photon) n’interagit pas avec le boson
de Higgs
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Histoire de
l’univers
Formation grandes
structures et
nucléosynthèse stellaire
Soupe primordialeFormation nucléons Nucléosynthèse
primordiale Recombinaison
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Matière et énergie noire
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Quelques questions en suspens
Les particules élémentaires sont-elles vraiment élémentaires ?
Y-a-t’il des dimensions supplémentaires ?
Existe-t-il d’autres particules et d’autres interactions ?
Que sont la matière et l’énergie noire ?
…
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Conclusions
2 types de particules : matière (fermions) et interaction (bosons)
Boson de Higgs responsable de la masse des particules
Théorie actuelle qui décrit tout cela : Modèle standard
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S
BACKUP SLIDESALWAYS USEFUL !!
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Des particules comme s’il en pleuvait …
Supernovaes : émission de protons (cosmiques)
Entrée dans l’atmosphère … le nombre de particules augmente rapidement gerbe
On a trouvé, dans ces gerbes des particules inconnues jusqu’alors.
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S
Un bref historique
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Un bref historique (1/4)
1898 : Découverte de l’électron (J.J. Thomson) : la première particule
1905 : Explication de l’effet photoélectrique (A. Einstein) Photon = Quantum de lumière
1919 : Découverte du proton (E. Rutherford)
1921 : Réalisation du fait que l’existence du noyau atomique est liée à l’interaction forte
1923 : Découverte de l’effet Compton Les électrons et les photons peuvent interagir, les photons sont des
particules
1928: Equation de Dirac (prédiction de l’existence du positron)
1930 : Prédiction de l’existence du neutrino (E. Fermi, désintégrations )𝛃
1931 : Découverte du positron (C.D. Anderson)
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Un bref historique (2/4)
1932- 1940 : Découvertes du neutron, du muon et du pion.
1946-1950 : Formulation de la théorie quantique de l’électromagnétisme (QED)
1951 : Découverte des particules « étranges » (quark s)
1953 : Découverte du neutrino électronique (Reines et Cowan)
1954 : Invention des théories de jauge non-abéliennes (Yang-Mills) Théorie de l’interaction forte (QCD)
1956 : Découverte de la violation de la parité (Wu)
1962 : Découverte de neutrino muonique Plusieurs « familles » de particules aux propriétés comparables
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Un bref historique (3/4) 1960-1970: Découverte de centaines de particules
Réinterprétées plus tard comme des assemblages de quarks
1964 : Découverte de la violation de CP (symétrie matière-antimatière)
1967 : Unification des forces électromagnétiques et faible (Glashow, Salam, Weinberg) → Les débuts du Modèle Standard
1974 : Découverte de la résonance J/ψ (quark c)
1976 : Découverte de la résonance ϒ (quark b) Troisième famille de quarks
1976 : Découverte du lepton 𝛕 Troisième famille de leptons
1979 : Première trace expérimentale des gluons (PETRA à DESY)
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Un bref historique (4/4) 1983 : Découverte des bosons W et du Z au CERN
1990-2000 : Tests intensifs du Modèle Standard au CERN grâce au LEP (collisionneur e+e- ; le LHC utilise le tunnel du LEP) Trois familles de neutrinos légers, prédiction de la masse du quark
top…
1989 : Premières discussions sur la construction du LHC
1995 : Découverte du quark top à Fermilab
1998 : Découverte des oscillations de neutrinos à Super-Kamiokande Les neutrinos ont une masse non nulle
2000 : Découverte du neutrino tauique par l’expérience DONUT (Fermilab)
2007 : Premières prises de données avec le LHC