Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.
1.1 Matière
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
53 notes
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À partir de la leçon
Matière et forces, mesurer et compter
Pendant ce premier module on introduira notre sujet en faisant le tour des objets de la physique des particules, c’est à dire la matière, les forces et l’espace-temps. On discutera aussi comment on définit l’intensité d’une interaction entre particules, par le biais de la section efficace, qui est une notion centrale de la physique des particules. A la fin de ce module, on visitera les travaux pratiques nucléaires de l’UniGe pour voir l'expérience Rutherford.
Rencontrer les enseignants
Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE] Bonjour et
bienvenue pour notre cours d'introduction à la physique des particules.
Pendant ce premier module, on introduira notre sujet en faisant le tour des objets
de la physique des particules, c'est-à-dire la matière, les forces,
mais aussi l'espace-temps dans lequel tout cela se passe.
On discutera aussi de comment on définit l'intensité des réactions
qui sont une notion centrale de la physique des particules,
par le biais de la section efficace.
À la fin de ce module, on visitera quelques expériences des travaux
pratiques de l'Université de Genève pour voir comment cela se passe en vrai.
Dans cette première séquence vidéo,
on fera un tour d'horizon de la matière au niveau subatomique.
Après l'avoir suivie, vous devriez connaître les quarks et les leptons et
quelques unes de leurs propriétés de base, savoir attribuer
les constituants de la matière aux familles et aux générations et connaître
les nombres quantiques qui sont conservés dans les interactions entre particules.
On va dans ce cours s'intéresser à la structure subatomique de la matière.
Voici un schéma de l'atome, qui n'est évidemment pas à l'échelle, parce que
le noyau serait invisible s'il était montré à l'échelle.
L'atome consiste en un noyau positif de petite taille,
10-^14 mètres, entouré d'un nuage d'électrons 10 000 fois plus grand,
10^-10 mètres.
L'électron est une particule élémentaire sans structure interne
et probablement sans taille.
Il fait partie des leptons.
Le noyau, par contre, n'est pas élémentaire ; il contient des
protons et des neutrons liés par la force nucléaire.
On parlera de la physique du noyau dans le prochain module de ce cours.
Les protons et neutrons ne sont pas élémentaires non plus ;
ils contiennent des quarks liés par la force forte.
Les quarks sont des particules élémentaires dans le même sens que les
électrons, c'est-à-dire sans structure interne et sans taille, autant que l'on
sache ; ce ne sont pas du tout des petites boules comme montrées dans ce graphisme.
Attention, cette matière ne décrit qu'à peu près 5 % du contenu de l'Univers,
la partie rouge du graphique que vous voyez là.
Le reste, l'immense majorité de la matière,
est représenté par ce que l'on appelle la matière sombre, et l'immense majorité de
l'énergie tout court de l'Univers, la densité d'énergie de l'Univers,
est représentée par l'énergie sombre.
Ces deux phénomènes vont être discutés dans le module 7 de notre cours.
On va maintenant commencer à mettre de l'ordre dans les 5%
de la matière ordinaire.
On peut ranger les quarks et les leptons dans des familles,
en fonction de leurs propriétés, et en générations, en fonction de leur masse.
Les familles sont les leptons à gauche et les quarks à droite.
Les leptons chargés ont tous la même charge électrique que l'électron
qui en est le plus connu ; sa charge électrique e définit la charge unitaire.
Les leptons neutres, les neutrinos, sont produits dans les désintégrations
radioactives ; ils ont une charge électrique nulle et une très faible masse.
Les quarks sont les constituants du proton et du neutron et de tous les hadrons.
Il y en a aussi deux types : les quarks up,
qui ont une charge de 2/3 de la charge élémentaire,
les quarks down ont une charge de -1/3 de la charge élémentaire e.
Dans chaque famille, il y a 3 générations.
Dans la génération légère,
il y a l'électron, le neutrino léger et les quarks up and down.
Ces quatre particules sont les constituants de la matière qui nous entoure normalement.
Dans la génération moyenne, il y a le muon,
le neutrino moyen et les quarks strange et charm.
Dans la génération lourde, il y a le lepton tau,
le neutrino lourd et les quarks bottom et top.
Le nombre quantique saveur distingue entre les générations ; il est conservé par les
interactions électromagnétiques et fortes, mais non pas par les interactions faibles.
La gamme des masses dans ce tableau est particulièrement large.
Les neutrinos sont les particules les plus légères : leur masse mesurée est
plus petite qu'à peu près 2 eV,
mais peut-être même des meV.
On en parlera plus dans le module 6 qui couvre les interactions faibles.
Le quark top, par contre, a une masse qui correspond à celle d'un noyau lourd,
d'un noyau d'hafnium, avec un nombre de masse de 178.
Mais, autant que l'on sache, c'est quand même une particule
élémentaire ponctuelle qui a cette énorme masse.
La raison pour laquelle il est probablement possible que quelque chose
qui n'a aucune taille a quand même une masse importante est le fait que
la masse n'est pas vraiment une propriété intrinsèque des particules,
mais elle est générée par le mécanisme de Higgs ; on en parlera aussi
dans le module 6 de ce cours.
Mais avec ce schéma périodique des particules élémentaires,
si vous voulez, on arrive à une nomenclature de la matière à la Linné,
c'est-à-dire 100 % descriptive.
On arrive alors à classer les particules en hadrons, qui contiennent des quarks,
et en leptons, qui n'en contiennent pas ; les hadrons
sont sensibles aux interactions fortes et nucléaires, les leptons ne le sont pas.
Les baryons sont des états liés formés par 3 quarks,
les mésons contiennent des paires de quark-antiquark.
Les nucléons p et n, protons et neutrons, sont les baryons les plus
légers montrés en rouge dans ce tableau ; ils forment les noyaux des atomes.
Il n'y a pas d'hadron formé avec le quark t à cause de sa courte durée de vie
; ce quark se désintègre en
quarks plus légers avant même de pouvoir former des états liés.
Vous allez souvent voir les neutrinos nu_e,
nu_mu et nu_tau dans ce type de tableau.
Ceux-ci sont des mélanges de vraies particules avec une masse définie
que nous avons notées nu_L,
nu_M et nu_H pour signaler leur hiérarchie de masse dans les trois générations.
La grande intensité des forces fortes fait que
les quarks forment des états liés inséparables.
Ceci amène à la zoologie des états liés par la force forte
montrée par ces 2 tableaux.
C'est en effet le Particle Data Group qui les a établis et qui est responsable de
collectionner toutes les données qui concernent leurs propriétés.
Vous voyez ici un tableau récapitulatif, une liste
exhaustive où toutes les informations utiles sont mises à disposition
sur le site du Particle Data Group dont vous trouvez l'adresse en bas en rouge.
Vous voyez à gauche la liste des baryons formés par 3 quarks comme le proton,
qui est un état uud, et le neutron, qui est un état udd.
À droite, vous voyez la liste des mésons formés par paires de quark-antiquark,
comme le π+, par exemple, qui est un état ud-bar.
Les leptons n'ont pas d'interaction forte parce qu'ils ne portent pas la
charge couleur ; ils n'interagissent donc que par les forces
électromagnétiques et faibles et ne forment pas des états liés durables.
Voici un tableau de quelques propriétés des particules élémentaires.
Dans la partie supérieure, vous trouvez les constituants de la matière : les
leptons et neutrinos sont des fermions de spin 1/2 ainsi que les quarks.
Dans la partie inférieure, il y a les particules qui transmettent
les forces : il s'agit de bosons de spin entier.
Les charges sont indiquées en unité d'une charge élémentaire dans chaque cas,
comme la charge de l'électron pour le cas électrique,
mais le concept de la charge ne se limite pas à l'électromagnétisme.
La charge faible appelée isospin faible a 2 composantes ;
en contraste avec la charge électrique qui a une seule composante.
La charge faible dépend de l'orientation du spin de la particule appelée hélicité.
La charge forte a même 3 composantes.
Nous utilisons les abréviations anglaises red, green and blue pour rouge,
vert et bleu, comme dans la majorité de la littérature.
La couleur concerne les quarks qui en portent une
et les gluons qui portent une couleur et une anticouleur.
Pour chaque particule,
il existe une antiparticule avec la même masse mais toutes les charges opposées.
J'ai bien dit toutes les charges opposées, pas uniquement la charge électrique,
mais aussi les 2 charges faibles et les 3 charges fortes.
L'importance des charges se trouve par le fait
qu'il y a des nombres quantiques additifs qui sont conservés.
En premier lieu,
c'est le nombre baryonique total qui est conservé, c'est-à-dire
le nombre de baryons moins le nombre d'antibaryons qui est un nombre conservé.
Ceci s'applique particulièrement aux quarks
qui ont chacun un nombre baryonique de 1/3.
Le nombre leptonique total est également conservé, tel que le nombre de leptons
moins le nombre d'antileptons est une constante dans un système clos.
Dans une certaine mesure, cela est même vrai par génération,
mais les neutrinos qui figurent dans cette équation sont les neutrinos nu_e,
nu_mu et nu_tau, qui sont des mélanges des vraies particules nu_L, nu_M et nu_H.
Nous reviendrons sur ce fait étonnant dans la partie 6 de ce cours.
Plus important que cela, les charges de tous les
types sont strictement conservées, autant que l'on sache.
Ceci concerne évidemment la charge électrique Q,
mais aussi l'isospin faible T, T3 et la couleur.
On reviendra sur les nombres quantiques conservés et les conséquences de ce fait
quand on parlera des diagrammes de Feynman dans la cinquième vidéo de ce module.
La prochaine vidéo parlera en plus de détails des forces qui
interviennent quand les particules interagissent entre elles.
[MUSIQUE]
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