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Le monde des particules

Le monde des particules. Mathieu Buchkremer Michaël Fanuel. Avertissement. L’exposé qui suit est réservé à un public averti ... Ce que vous allez entendre et voir aujourd’hui est susceptible de modifier votre perception du monde de manière irréversible. Veuillez attacher votre ceinture !.

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Le monde des particules

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Presentation Transcript

  1. Le monde des particules Mathieu BuchkremerMichaëlFanuel

  2. Avertissement L’exposé qui suit est réservé à un public averti ... Ce que vous allez entendre et voir aujourd’hui est susceptible de modifier votre perception du monde de manière irréversible. Veuillezattachervotreceinture !

  3. La Physique des Particules Définition: “La physique des particulesestl’étude des constituantsélémentaires de la matière et des interactions qui les gouvernent”.

  4. La Physique des Particules Définition: “La physique des particulesestl’étude des constituantsélémentaires de la matière et des interactions qui les gouvernent”.

  5. Plan • 1) Introduction : petite plongée au cœur de la matière • 2) Comment tout cela tient ensemble : les interactions • 3) De quoi le monde est fait : les particules • 4) Le problème de la masse • 5) Et après … ? • De quoi le monde est fait : les particules • Comment tout cela tientensemble : les interactions 2. Encore plus...de particules 3. Le problème de la masse 4. Perspectives…

  6. 1. Plongée au cœur de la matière

  7. « Le grand zoom  » Ref. : “Science & Vie : le grand zoom de tout l’univers, n°hors-série 28

  8. La matière Les Grecs : feu terre air eau quintessence Atome (άτομος) : «  partie élémentaire de la matière, que l’on ne peut couper, diviser ». Démocrite (460-370 av. J.-C.)

  9. La quête du fondamental Depuis la nuit des temps, l'homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers. Dessin : C. Degrande

  10. Indivisible? Dessin : C. Degrande

  11. La matière Aujourd’hui : Atome : partie élémentaire de la matière, que l’on ne peut couper, diviser  ? Ref. : http:// www.physique-appliquee.net/

  12. La matière Aujourd’hui : Atome : partie élémentaire de la matière, que l’on ne peut couper, diviser  ? Non ! Ref. : http:// www.physique-appliquee.net/

  13. L'atome 10-10 m Pour donner un ordre de grandeur … « La largeur d'un cheveu contient un million d'atomes de carbone »

  14. Structure de l’atome Electron : ponctuel (Petit mais Massif !) Noyau : 10-14 m Pour donner un ordre de grandeur … « Si on représente le noyau par une balle de tennis, le premier électron est à 6 km ! »

  15. Structure de l’atome Pour donner un ordre de grandeur … « Si on représente le noyau par une balle de tennis, le premier électron est à 6 km !

  16. Proton 10-15 m Neutron Structure du noyau Nucléon = Proton ou Neutron. • m(Electron) = 9,109× 10-31 kg • m(Proton) = 1,673× 10-27 kg • m(Neutron) = 1,675 × 10-27 kg

  17. Proton 10-15 m Neutron Structure du noyau Nucléon = Proton ou Neutron. • m(Electron) = 9,109× 10-31 kg • m(Proton) = 1,673× 10-27 kg • m(Neutron) = 1,675 × 10-27 kg m(Proton) < m(Neutron) !

  18. Proton : 2 quarks up 1 quark down p+ = u+u+d Neutron : 1 quark up 2 quarks down n0 = u+d+d Structure des nucléons : les quarks ! u u d u d d Quarks = particules ponctuelles!

  19. Proton : q(p+ )=+1 q(u)+q(u)+q(d)= +1 Neutron : q(n0)=0 q(u)+q(d)+q(d)=0 Structure des nucléons : les quarks ! Charges électriques q(u) = +2/3 q(d) = -1/3 u u d u d d

  20. Proton : m(p+ ) ≠ m(u)+m(u)+m(d) Neutron : m(n0) ≠ m(u)+m(d)+m(d) Structure des nucléons : les quarks ! Masses m(u) ~ m(d) = m(p+ ) / 1000 u u d u d d • m(Proton) = 1,673× 10-27 kg • m(Neutron) = 1,675 × 10-27 kg

  21. « Equivalence » masse-énergie Energie au repos Energie cinétique

  22. Les unités en physique des particules L’unité d’énergie en physique des particules est l’électron-volt: 1 eV = 1,6.10-19 J • Egalement : le keV (x 103), le MeV (x 106), le GeV (x 109) • et le TeV (x 1012). • 0,5 MeV ~ Energie au repos d’un électron • 1 GeV ~ Energie au repos d’un nucléon • 1 TeV ~ Energie d’un moustique en vol

  23. 1 eV/c2 = 1,6.10-19 J Proton : m(p+ ) ≠ m(u)+m(u)+m(d) Neutron : m(n0) ≠ m(u)+m(d)+m(d) Structure des nucléons : les quarks ! Masses m(u) ~ 1.5 - 4 MeV/c2 m(d) = 4 – 8 MeV/c2 u u d u d d • m(Proton) = 938,27 MeV/c2 • m(Neutron) = 939.56 MeV/c2 Attention ! m(u)+m(u)+m(d) << m(p+) m(u)+m(u)+m(d) << m(n0)

  24. Structure des nucléons Ceci est une vue d’artiste ! (Nous ne pouvons pas voir les particules plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible).  Pour étudier la structure sub-atomique, il nous faut utiliser des accélérateurs de particules !

  25. Plan • 1) Introduction : petite plongée au cœur de la matière • 2) Comment tout cela tient ensemble : les interactions • 3) De quoi le monde est fait : les particules • 4) Le problème de la masse • 5) Et après … ? • De quoi le monde est fait : les particules • Comment tout cela tientensemble : les interactions 2. Encore plus...de particules 3. Le problème de la masse 4. Perspectives…

  26. 2. Comment tout cela tient-il ensemble ?

  27. 2. Comment tout cela tient-il ensemble? Les interactions à longue portée L'interaction gravitationnelle Masse Interaction gravitationnelle

  28. Gravitation = courbure? Interaction gravitationnelle

  29. L'interaction électromagnétique - Charges électriques + Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique

  30. L'interaction électromagnétique - Charges électriques Le photon γ Mγ = 0 + Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique

  31. Interactions fondamentales • Interaction = action à distance entre deux particules de matière par le biais d’une particule médiatrice.

  32. Interactions fondamentales

  33. Interactions fondamentales Particule de « Matière » = fermion (ex. : électron) Particule d’« Interaction » = boson (ex. : photon)

  34. Les interactions à courte portée L'interaction forte Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  35. Les interactions à courte portée L'interaction forte p+ Proton Neutron n0 Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  36. Les interactions à courte portée L'interaction forte Proton Neutron Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  37. Les interactions à courte portée L'interaction forte 3 Charges « fortes » de couleur ! Proton Un des 8 gluons g Mg = 0 Neutron Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  38. Les interactions à courte portée L'interaction forte 3 Charges « fortes » de couleur ! Proton Un des 8 gluons g Mg = 0 Neutron Portée limitée : 10-15 m ! Pourquoi ? Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  39. L'interaction forte Portée limitée : 10-15 m ! Pourquoi ? Réponse ? Le confinement (futur prix Nobel ?) ‘‘ Toutes les particules observées sont « blanches » ’’  Quarks et gluons sont confinés par l’interaction forte en « hadrons » p+ n0 Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte

  40. Hadrons : états liés de quarks par l’interaction forte • Mésons (μέσος, « moyen ») • = états liés de 2 quarks • ex. pions, kaons, … (instables) Baryons (βαρύς, « lourd ») • = états liés de 3 quarks ex. protons, neutrons, …

  41. Les interactions à courte portée L'interaction faible Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  42. Les interactions à courte portée L'interaction faible La désintégration β- - n0 p++ e-+ ν Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  43. Les interactions à courte portée L'interaction faible La désintégration β- - n0 p++ e-+ ν Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  44. Les interactions à courte portée L'interaction faible La désintégration β- - n0 p++ e-+ ν - m(n0) > m(p+) + m(e-)+ m(ν) Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  45. Les interactions à courte portée L'interaction faible La désintégration β- - n0 p++ e-+ ν m(ν) ~ 0 ; q(ν) = 0 Flux de neutrinos solaires sur Terre = 65.000.000.000 / cm2 / s Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  46. Les interactions à courte portée L'interaction faible La désintégration β- au niveau fondamental : d u + W- e-+ ν W- •  Echange de bosons {W+, W-, Z0} Portée : 10-18 m ! Pourquoi ? Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  47. Echange de bosons massifs : « Plus une particule est massive, moins sa portée est grande » L'interaction faible Portée : 10-18 m ! Pourquoi ? Portée limitée par la masse des bosons ! • m (W+/-) = 80,4 GeV/c2 • m (Z0) = 91,2 GeV/c2 ( ~ 100 × m(p+ ) ) Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible

  48. En résumé : 4 interactions fondamentales

  49. Plan • 1) Introduction : petite plongée au cœur de la matière • 2) Comment tout cela tient ensemble : les interactions • 3) De quoi le monde est fait : les particules • 4) Le problème de la masse • 5) Et après … ?

  50. 3. Synthèse : de quoi le monde est-il fait ?

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