5.3 Résonances quark-antiquark et mésons

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

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.

À partir de la leçon

Hadrons et interactions fortes

Dans ce cinquième module vous verrez comment les expériences de diffusion – typiquement utilisant des photons virtuels comme sonde – nous renseignent sur la structure interne des hadrons. Vous apprécierez le rôle des quarks dans la formation de baryons et mesons. Vous comprendrez mieux la notion de la charge couleur et les propriétés des gluons qui transmettent la force forte. Vous verrez comment cette force emprisonne les quarks à l'intérieur de leurs états liés. Et comment par conséquent les quarks fortement secoués (ou crées en paires dans le vide) se transforment en gerbes de hadrons appelés jets.

5.3 Résonances quark-antiquark et mésons10:45

Rencontrer les enseignants

Martin Pohl
Professeur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes Paniccia
Collaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire

[MUSIQUE]

Ce cinquième module, on continue notre discussion

des hadrons et des interactions en iii fortes qui les forment.

Alors dans cette troisième séquence vidéo,

on discute la formation de mésons comme état lié entre quarks et antiquarks.

Après avoir suivi cette vidéo, vous connaîtrez les états liés entre quarks et

antiquarks, c'est-à-dire les mésons, et leur état excité, et les spectres

de ces exitations qui nous renseignent sur la nature de leurs liaisons.

Alors il peut vous étonner un tout petit peu, mais on peut créer des hadrons iii.

Comme dans ce diagramme de Feynman,

où un photo qui a été produit par une paire d'électrons positrons,

dans leur annihilation, se transforment spontanément en état lié hadronique,

entre un quark et un antiquark, en l'occurrence, c'est

les mésons rhô zéro, qui est un état lié des quarks légers.

Alors la masse de cette résonance, est légèrement inférieure à deux fois la

masse du quark correspondant à cause de la liaison entre les deux,

alors, des résonances peuvent aussi figurer évidemment

dans des états intermédiaires dans les réactions hadroniques,

et dans ce cas il y a plus de libertés en ce qui concerne leur nombre quantique,

quand ils sont produits avec la matière que l'on voit ici,

il est évident qu'ils doivent avoir le même nombre quantique que le photon,

c'est-à-dire charge zéro et spin un.

Alors en général, c'est états liés entre quarks et antiquarks

ont une durée de vie courte, surtout pour les quarks légers.

Alors Comment se forme la section efficace autour de ces résonances,

ceci est montré par cette formule-là, la dépense en énergie

suit ce que l'on appelle une fonction de de Breit–Wigner que vous voyez à droite,

elle est caractérisée par la section efficace maximale, qui multiplie le tout,

la position de la résonance qui est le facteur M qui entre,

et la largeur de la résonance qui est le facteur gamma qui entre.

En effet, la section efficace est réduite à un demi de sa valeur maximale

pour racine de s égale à M plus ou moins gamma sur deux, et le

temps de vie de la résonance est l'inverse de cette largeur comme on l'avait déjà vu.

La forme de la fonction Breit–Wigner ressemble

à celle qui décrit un oscillateur amorti classique.

Et là vous voyez le schéma à droite,

il y a une force périodique avec fréquence oméga qui excite l'oscillateur,

l'oscillateur lui-même est caractérisé par un ressort et une masse,

et il est amorti par une force amortissante en bas.

Alors si on mesure l'élongation maximale de cette masse en fonction

de la fréquence, on obtient une fonction de Breit–Wigner comme celle dessus,

alors l'amplitude au carré est en effet l'analogique à la section efficace pour

les interactions entre particules, ce qui vous démontre d'une manière

assez jolie l'unité de la physique et des phénomènes de résonance.

Alors pour les résonances entre quarks légers, comme le rhô et le petit oméga,

on trouve des largeurs entre quelques méga-électron-volts, et

quelques centaines de méga-électron-volts, correspondant à des temps de vie

entre dix puissance moins 22 secondes et dix puissance moins 24 secondes.

Alors ce sont des états qui ont une courte durée de vie.

Ils sont produits d'une manière résonante par le photon intermédiaire, c'est-à-dire

quand la masse du photon virtuel égale à peu près celle d'une méson.

Par conséquent, ces mésons ont tous spin un, ils se désintègrent en pion.

Alors vous trouverez sur Wikipedia des tableaux, des propriétés principales,

de ces particules.

Vers une masse approximativement un giga-électron-volt,

on peut produire la résonance qui s'appelle fi, c'est un état lié entre

quark s et antiquark s barre, qui se désintègre en particules étranges,

en paires de iii chargés ou en paires de Ko neutres.

Sa largeur est de l'ordre de 4,4 méga-électron-volts seulement,

c'est-à-dire que c'est une particule qui a un temps de vie relativement important.

Aux alentours de trois giga-électron-volts,

on trouve les résonances J psi.

Ce sont les états de quarks c avec des antiquarks c barre,

et vers dix GeV, on trouve les résonances epsilon qui sont faites de b, b barre.

Alors leur largeurs sont petites,

90 kilo-électron-volts pour le J psi, et 50 pour l'epslion,

c'est-à-dire que leur temps de vie est relativement long, et la section efficace

se trouve élargie d'une manière importante autour de leur masse.

Un phénomène analogique et observé pour la section efficace autour de la résonnance

epsilon, qui a deux répétitions dans

l'état entre les deux quarks en un s, deux s, et trois s.

Ce sont tous des mésons formés de paires b, b barre.

La forme résonante est mise en évidence par la section efficace,

les états se distinguent par le moment cinétique relatif des deux quarks.

Les spins restent de toute façon parallèle pour produire

un méson vectoriel dans les trois cas.

Quand on étudie les spectres des excitations des

résonance à l'intérieur de ces spectres de mésons,

on peut mieux comprendre le potentiel des forces fortes qui lient les

quarks dans un méson, et par conséquent les mécanismes de désintégration.

Alors cette figure montre un peu les spectres de désintégration du

J psi à gauche, et de l'espilon à droite,

et, si ça vous rappelle les spectres atomiques ou les spectres nucléaires,

c'est complètement juste, c'est en effet la même

chose sauf que les particules émises dans ces

schémas de désintégrations ne sont pas nécessairement juste des photons.

Alors, si on interprète ces spectres en terme du potentiel

entre les quarks à l'intérieur des mésons,

on obtient la forme fonctionnelle qui est esquissée à droite.

Il y a deux termes, il y un terme qui vous rappelle un peu

le potentiel électromagnétique, alpha sur r,

e sur r, le potentiel d'une charge électrique,

sauf que ici le alpha électromagnétique est remplacé par

le alpha strong, alpha s, la

constante de couplage au carré des interactions fortes.

Elle est de l'ordre de zéro point deux, c'est-à-dire à peu près 20 fois plus

grande que son homologue électromagnétique alpha qui est un sur 137.

Le deuxième terme est encore plus surprenant, c'est un terme qui est

fortement, qui lie fortement les particules,

le potentiel ne diminue pas avec la distance, il augmente avec la distance,

avec un facteur k, qui est à peu près un giga-électro-volt par Fermi.

Ceci veut dire que le proton qui pèse à peu près un giga-électron-volt,

a en effet la taille d'un Fermi à cause de ce terme-là.

Alors plus tard dans ce module, on discutera en plus des détails les

propriétés des interactions fortes qui sont responsables pour cette liaison.

Les pics de la section efficace autour d'une résonance invitent à construire des

machines pour fabrication en masse des états correspondants.

Alors le collisionneur DAPHNE iii en Italie est une telle fabrique pour les

résonances f i, et les collisionneurs PEP-II aux Etats-Unis et

KEKB au Japon sont des fabriques d'epsilon et d'autres mésons b b barre.

Comme j'ai dit, aussi, les interactions fortes entre hadrons peuvent produire

cette sorte de résonance, alors l'expérience LHCb, au CERN, fait de même.

Par le système des largeurs décroissantes avec la masse de la résonance, on pourrait

être amenés à croire que les résonances t t barre seraient extrêmement

étroites et de long temps de vie, et ceci n'est par contre pas du tout le cas.

Le quark top est tellement lourd, il pèse à peu près 175 giga-électron-volts,

que l'espace de phase pour sa désintégration devient énorme.

Le quark se désintègre donc avant même que la formation d'un état

lié puisse avoir lieu.

Par conséquent,

il n'y a guère d'augmentation de la section efficace au seuil pour la

production des paires de quark top et son temps de vie est extrêmement court.

Dans la prochaine vidéo, on discutera ce que tout cela veut dire pour les

propriétés des interactions fortes elles-mêmes.

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