POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce...

POURQUOI LE CERN?

C. Vander Velde

ULB

19 avril 2002

Le CERN

Contenu:Matin:• Introduction: qu’est-ce que le CERN?

• Qu’est-ce que la physique des particules?

• La structure de la matière.

• Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?– Extraction– expériences de diffusion– classifications

POURQUOI LE CERN?

Contenu (suite):

Matin(suite):

• Les interactions fondamentales.– Caractéristiques

– le mécanisme d’échange

– QED

– QCD

– particules virtuelles

• Le modèle standard

• Le boson de Higgs

• Au-delà du modèle standard

• Implications cosmologiques

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 d’une expérience.

• Conclusions

Qu’est-ce que le CERN?

Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

29 septembre 1954

Physique des particules

Actuellement: 20 états membres

Qu’est-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:

XIXème siècle

J. Dalton: théorie atomique

D.I. Mendeleïev: tableau

périodique

Noyaux et électrons:

début du XXème siècle:

Becquerel: radioactivité

(1896)

Thomson: électron (1897)

Rutherford: noyau (1909)

Nucléons:

Thomson: proton

Chadwick: neutron

(1932)

..

.

. .

.



Particules « élémentaires »: les découvertes se succèdent:

……..plus de 100 particules!!!!

Les quarks: Gell-Mann (1964)

1930 1940 1950 1960

e+

n-

+

+, -

K°, K+, K- ° °-

+

- p 0e

n

Λ°

42 He


La composition de la matière:

La structure de la matière

La matière ordinaire:

Les quarks

Unité de masse: 1 GeV/c2 = 1,78265 10-27 kgE = mc2 EinsteinUnité d’énergie: 1 GeV = 109 eV

1 eV = 1,602 10-19JUnité de charge: # de fois e (charge élémentaire)

e = 1,6021733 10-19 C

neutron

qn = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0

proton

qp = 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1


La matière ordinaire:Les leptons

Implique l’émission d’une 3ème particule de très faible masse et de charge nulle: le neutrino.

Neutrino: pour rendre compte de la radioactivité -n p + e + ?

#-

K(keV)

156

K: énergie cinétique


La matière ordinaire:Les leptons

On écrit donc:

Le neutrino ne sera observé qu’en 1956!

-en p + e +

+ep n + e +

: antineutrino électronique: positon : antiparticule de l’électron

+e e

antiparticule: particule de même masse,de charge opposée,de saveur opposée


La matière cosmique ou artificielle:

Les quarks

et les antiquarks: u d s c bt



u

sd

hypéron °

q = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0

Hadrons

Baryons Mésons

q q

q

q

q

Méson +

q+ = 2/3 - (-1/3)= 1

u

d



Les leptons

et les antileptons:

ee


Résumé:Les constituants élémentaires de la matière:

+ leurs antiparticules

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. Par extraction.

2. Par diffusion.

3. Par classification.

?


1. Par extraction: la découverte de l’électron (J.J.Thomson - 1897):dans un tube à vide prévu pour étudier les décharges dans les gaz raréfiés. L’énergie était fournie aux électrons en chauffant le filament qui constituait la cathode:

rayon cathodique = ?

CA A


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


1. La découverte de l’électron:

• q / m très grand: grande charge ou masse très petite?

• expérience de la goutte d’huile (Millikan):

e = 1,602 10-19 C

qe = -e

me = mH / 2000!!!!

L’électron est une toute petite partie de l’atome!


1. Les expériences modernes:

particules cible

accélérées

détecteur

les quarks sont liés dans les hadrons; ils n’ont jamais été observés à

l’état libre!


2. Par diffusion: principe

cible diffuse

cible ponctuelle

On peut tirer des conclusions sur la forme d’un en regardant comment des projectiles sont déviés:


2. Par diffusion: principe


2. Par diffusion: la structure de l’atomeRutherford, Geiger et Marsden (1909)


2. Par diffusion: la structure de l’atome


2. Par diffusion: la structure du proton

Diffusion des électrons:années 50-60:

Le proton a une certaine étendue dans l’espace

en 1970, à plus haute énergie (20 Gev):

Dans le proton, il y a des grains durs!

p

e-e-

p

e-e-

e-

e-

p


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)

- ° + ++ *- *° *+ *- *° -Δ Δ Δ Δ Σ Σ Σ Ξ Ξ Ω

-Δ °Δ +Δ ++Δ

-

*+*°*-

*°*-

S=-3

S=-2

Q=0

S=-1

S=0

Q=+1

Q=-1

Q=+2


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

u d s

Q 2/3 -1/3 -1/3S 0 0 -1

(dss)

(sss)

(ddd) (ddu) (duu) (uuu)

(uss)

(dds) (uus)(dus)

Les interactions fondamentales

1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction gravitationnelle:• toujours attractive

• agit sur toute forme d’énergie (ou de matière)

• intensité extrêmement faible (10-38)

• théories:

• mécanique (Newton - 1687)

• relativité générale (Einstein - 1915)


1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction électromagnétique:

• attractive ou répulsive

• agit sur les particules porteuses d’une 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)

.... .

.


1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction 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.

noyau

soleil


1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction faible:

• agit sur toutes les particules; c’est 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).

+ +e μμ e ν ν


2. Le mécanisme d’échange:

Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de

rayonnement.

La portée de l’interaction diminue lorsquela masse de la particule échangée

augmente.


3. La théorie QED:L’électrodynamique quantique rend compte de l’interaction électromagnétique par l’échange de photons.

Exemple:

portée infinie

QED est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!!

+ - + -e + e e + e

+e +e

-e

γ échange d’un photon

-e

γm = 0 γq = 0


4. La théorie electrofaible:Interactions

électromagnétiques

(médiateur: photon)

unifie: +Interactions faibles

(médiateurs: bosons Z0, W+ et W-)

Exemples:μν -μ

pn

-W échange d’un boson W-

“courant chargé”

-μν + n μ + p

2Wm = 80 Gev/c 2

Zm = 91 Gev/c


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!)

μνμν

nn

0Z échange d’un boson Z°“courant neutre”

μ μν + n ν + n


5. La théorie QCD (chromodynamique quantique):

Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8.

La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ».

gm = 0 gq = 0


5. La théorie QCD:

Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte.


5. La théorie QCD:Trois quarks de couleurs différentes s’attirent. Les trois quarks des baryons sont donc de couleurs différentes et les baryons sont blancs.

Le quark et l’antiquark d’un méson portent la couleur et l’anticouleur correspondantes; ils sont donc eux aussi blancs.

baryons

mésons


5. La théorie QCD:Lors de l’échange d’un gluon, deux

quarks de charges de couleur différentes échangent leur couleur:


5. La théorie QCD:Comportements bizarres de l’interaction forte:• mais force de très courte portée: 10-15m

(parce que les gluons interagissent entre eux)

• liberté asymptotique: très proches les quarks n’interagissent plus, plus ils sont éloignés, plus leur interaction est forte confinement: les quarks n’existent pas à l’état libre.

La force forte ressemble à un élastique

Si on tire trop fort sur l’élastique, il « casse » et une paire quark-antiquark sort du vide; chacun d’entre eux s’apparie à l’un des quarks initials.

gm = 0


6. Particules virtuelles:

Le principe d’incertitude d’Heisenberg:(1927)

x: position p: quantité de mouvement

(h: constante de Planck)

E: énergie t: temps

Donc, pendant un temps très court, l’incertitude sur l’énergie peut être très grande!

hΔx Δp 2

hΔE Δt 2

-34h = 6,626 x 10 J ×sh = h / 2π



Energieconservée

Energienon

conservéependant

untemps

très court

20E = m c + K



Exemples:

-en p + e ν

-d u + W - -

eW e ν



Exemples:

+ - + -e + e D + D + - 0e + e Z /γ c + c

+ -c + c c + d + d + c D + D

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


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

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 l’existence d’une particule supplémentaire:

le boson de Higgs, à laquelle est associée un champ, le champ de Higgs.

le champ de Higgs

une particule le traverse:

Le boson de Higgs

Ou le mystère de la masse:

rumeur:

boson de Higgs: encoreà découvrir!

la particule acquiert sa masse

Au-delà du modèle standard

Le SM n’est pas la théorie ultime:• n’englobe pas la gravitation

• pourquoi 3 familles de fermions?

• ne prédit pas leur masse

• n’unifie pas toutes les forces

Les théories de grande unification (GUT):

Au-delà du modèle standard

La Supersymétrie:

quark squark

lepton slepton

Particules supersymétriques pas encore observées!

Les implications cosmologiques

L’univers est en expansion:

Hubble (1929): les galaxies se fuient

L ’énergie diminue: l’univers se refroidit.

10-9 s après le big-bang:

E~200Gev, comme auprès des accélérateurs actuels


L’histoire de l’univers en bref:• t0: moment du big-bang

• t0 +10-12 s: 1000 GeV

avec très légèrement plus de matière

• un peu plus tard: il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks

μν

-μ

g

+μ0Z

0Z c

c

+W+μ-W

g

0Z

-e

+e

0Z

-Wg

0Z

+W eν

+e


L’histoire de l’univers en bref:

• t0 +10-2 s: 1 GeV

Les nucléons se

forment sous

l’effet de la

force forte.

• t0 +100s:100 eV ou 1 milliard de degrés

nucléosynthèse

deutérium hélium

n p


L’histoire de l’univers en bref:• t0 +30 minutes:

• t0 +700.000 ans: 3000 degrés

Les atomes les plus

simples se forment sous

l’effet de la force é.m.

..

... .

p

e-


L’histoire de l’univers en bref:• puis, plus tard: les agglomérats de matière sous

l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….planètes, ….la vie!

ADN

POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce...

Documents

Transcript of POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: quest-ce...