Noyaux et ParticulesNoyaux et Particules

S. Ong (UPJV et IPN Orsay)S. Ong (UPJV et IPN Orsay)

Chapitre 1Chapitre 1Bref historique et Caractéristiques Bref historique et Caractéristiques

générales du Noyaugénérales du Noyau

(( Les photos illustrées dans ce chapitre sont Les photos illustrées dans ce chapitre sont extraites de la Photothèque de l’IN2P3/CNRS)extraites de la Photothèque de l’IN2P3/CNRS)

A. Bref historiqueA. Bref historique

Depuis les expériences de collision de Rutherford (1911), la Depuis les expériences de collision de Rutherford (1911), la structure de l’atome est bien comprise.structure de l’atome est bien comprise.

L’atome est composé d’un noyau dont le diamètre est de L’atome est composé d’un noyau dont le diamètre est de l’ordre de fermi (1F=10^-13 cm) entouré d’électrons. Le l’ordre de fermi (1F=10^-13 cm) entouré d’électrons. Le diamètre de l’atome est de l’ordre de 10^-8 cm. Le noyau diamètre de l’atome est de l’ordre de 10^-8 cm. Le noyau est constitué de nucléons qui sont des neutrons (particule est constitué de nucléons qui sont des neutrons (particule neutre, Chadwick 1932) et des protons (particule chargée neutre, Chadwick 1932) et des protons (particule chargée positivement).positivement).

La Physique nucléaire proprement dite, appeléeLa Physique nucléaire proprement dite, appelée également physique de basse énergie, traite la structure du également physique de basse énergie, traite la structure du

noyau et les forces nucléaires.noyau et les forces nucléaires. La Physique des hautes énergies ou physique des particules La Physique des hautes énergies ou physique des particules

élémentaires étudie les structures des particules et leurs élémentaires étudie les structures des particules et leurs interactions.interactions.

On peut caractériser un noyau par le nombre de masse A (nombre On peut caractériser un noyau par le nombre de masse A (nombre de nucléons) et de son numéro atomique Z (nombre de protons), de nucléons) et de son numéro atomique Z (nombre de protons), le nombre de neutrons N=A-Z.le nombre de neutrons N=A-Z.

En admettant la forme sphérique du noyau, son rayon peut En admettant la forme sphérique du noyau, son rayon peut s’écrire sous la forme R=r A^(1/3) où r =1,3 F est le rayon d’un s’écrire sous la forme R=r A^(1/3) où r =1,3 F est le rayon d’un nucléon.nucléon.

Avec la célèbre relation d’Einstein E=mc^2,Avec la célèbre relation d’Einstein E=mc^2, on peut exprimer les masses des particules en unité d’énergie :on peut exprimer les masses des particules en unité d’énergie : masse de l’électron=0,511 MeV/c2masse de l’électron=0,511 MeV/c2 masse du proton =938,28 MeV/c2masse du proton =938,28 MeV/c2 masse du neutron =939,57 MeV/c2masse du neutron =939,57 MeV/c2 1 MeV= 10^6 eV et 1eV=1,6 10^-19 Joules 1 MeV= 10^6 eV et 1eV=1,6 10^-19 Joules

Les différents ordres de grandeur.Les différents ordres de grandeur.Du microscope électronique aux accélérateurs de Du microscope électronique aux accélérateurs de

particulesparticules

B. Sonder la structure intime de la matièreB. Sonder la structure intime de la matière

Pour localiser un objet Pour localiser un objet aussi petit que le noyau,on aussi petit que le noyau,on réalise des collisions entre réalise des collisions entre les particules projectiles et les particules projectiles et les noyaux cibles en les noyaux cibles en exploitant l’aspect exploitant l’aspect ondulatoire des particules.ondulatoire des particules.

En effet, la relation de De En effet, la relation de De Broglie dans le cadre de la Broglie dans le cadre de la mécanique quantique, mécanique quantique, permet de relier permet de relier l’impulsion de la particule l’impulsion de la particule à la longeur d’onde de à la longeur d’onde de matière associée:matière associée:

h

p

Par analogiePar analogie avec les phénomènes de diffraction en avec les phénomènes de diffraction en Optique, Optique,

On doit disposer On doit disposer d’accélérateurs de d’accélérateurs de particules de plus en plus particules de plus en plus puissants pour sonder des puissants pour sonder des particules cibles de plus en particules cibles de plus en plus petites.plus petites.

Énergie d’un Énergie d’un électronélectron

longueur longueur d’onded’onde

1 electronV(eV)1 electronV(eV)

1 kiloeV (keV)1 kiloeV (keV)

1 gigaeV (GeV)1 gigaeV (GeV)

1,2 nanomètre1,2 nanomètre

39 picomètres39 picomètres

1,2 femtomètre1,2 femtomètre

Système d’étiquetage du faisceau de photons à GRAAL Système d’étiquetage du faisceau de photons à GRAAL (ESRF à Grenoble)(ESRF à Grenoble)

Expérience A4 de violation de la Parité à Mayence en Expérience A4 de violation de la Parité à Mayence en Allemagne (photo propre de la collaboration A4)Allemagne (photo propre de la collaboration A4)

Détecteur CMS pour le LHC au CERNDétecteur CMS pour le LHC au CERN

Evènements observés avec le détecteur Evènements observés avec le détecteur DELPHI du LEP au CERNDELPHI du LEP au CERN

Le moment cinétique intrinsèque (spin I) du noyau est une Le moment cinétique intrinsèque (spin I) du noyau est une quantitéquantité importante pour les propriétés dynamiques du importante pour les propriétés dynamiques du

noyaunoyau..

Les neutrons et les protons sont des particules de spin ½ Les neutrons et les protons sont des particules de spin ½ comme les électrons.comme les électrons.

Expérimentalement, on observe que les noyaux complexes Expérimentalement, on observe que les noyaux complexes ont des moments cinétiques entiers ou demi-entiers ont des moments cinétiques entiers ou demi-entiers (addition des moments cinétiques). Par exemple pour les (addition des moments cinétiques). Par exemple pour les noyaux pair-pair, J=0 et la parité est positive.noyaux pair-pair, J=0 et la parité est positive.

Dans certains cas, on peut déterminer le moment cinétique Dans certains cas, on peut déterminer le moment cinétique du noyau à partir des spectres atomiques ou moléculaires.du noyau à partir des spectres atomiques ou moléculaires.

En général, c’est la Loi de conservation du moment En général, c’est la Loi de conservation du moment cinétique total qui permet la détermination de I.cinétique total qui permet la détermination de I.

Peut-on mesurer les masses aussi petites ?Peut-on mesurer les masses aussi petites ?

On peut comprendre que c’est une mesure indirecteOn peut comprendre que c’est une mesure indirecte..

L’étude des masses atomiques est liée au développement de la L’étude des masses atomiques est liée au développement de la physique nucléaire. Les spectrographes et spectromètres de masse physique nucléaire. Les spectrographes et spectromètres de masse sont des exemples d’appareils utilisés pour ces mesures. L’ étude des sont des exemples d’appareils utilisés pour ces mesures. L’ étude des réactions nucléaires et des désintégrations est aussi un moyen utilisée réactions nucléaires et des désintégrations est aussi un moyen utilisée pour déterminer ces masses. Les résultats compatibles des différentes pour déterminer ces masses. Les résultats compatibles des différentes voies démontrent l’équivalence masse-énergie d’Einstein. voies démontrent l’équivalence masse-énergie d’Einstein.

En physique des hautes énergies, on reconstruit par exemple, la En physique des hautes énergies, on reconstruit par exemple, la masse invariante d’une résonance à partir de ses produits de masse invariante d’une résonance à partir de ses produits de désintégration, d’où l’utilisation des détecteurs de plus en plus désintégration, d’où l’utilisation des détecteurs de plus en plus sophistiqués.sophistiqués.

En guise de conclusion de ce chapitre, nous mentionnons le problème En guise de conclusion de ce chapitre, nous mentionnons le problème lié à l’origine de la masse des particules.lié à l’origine de la masse des particules.

Même dans le modèle standard, les masses des quarks constituants Même dans le modèle standard, les masses des quarks constituants élémentaires, apparaissent comme des paramètres libres.élémentaires, apparaissent comme des paramètres libres.

La recherche expérimentale actuelle, avec le futur accélérateur LHC du La recherche expérimentale actuelle, avec le futur accélérateur LHC du CERN, est orientée vers la recherche du boson de Higgs dont CERN, est orientée vers la recherche du boson de Higgs dont l’interaction avec les fermions génère la masse de ces fermions.l’interaction avec les fermions génère la masse de ces fermions.