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.
5.5 Couleur et interactions fortes
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
51 notes
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.
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Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE]
[MUSIQUE] Dans ce cinquième module, on
est en train de discuter de la structure des hadrons et les interactions fortes.
On vient de voir que les interactions fortes ont des propriétés particulières.
Les quarks, si on les regarde à courte distance,
se comportent comme des particules quasi libres, à l'intérieur des hadrons.
Néanmoins, on n'a jamais observé de quarks libres, en dehors des hadrons.
Cela indique que la force forte les confinent à l'intérieur des hadrons,
et ne permet pas de les séparer à des grandes distances.
Dans cette cinquième vidéo, on expliquera qualitativement
ces propriétés qui sont apparemment incompatibles.
Après avoir regardé cette vidéo,
vous connaîtrez les principales propriétés des interactions fortes,
et inclus les différents vertex qui apparaissent dans le diagramme de Feynman,
sa charge couleur, les gluons, et leurs rôles dans la liaison entre quarks.
La polarisation du vide pour les interactions électromagnétiques et fortes.
Nous avons déjà introduit dans la vidéo 1.1, la couleur qu'ont les nombres
quantiques des quarks et nous avons vu sa conséquence immédiate des triplets,
la section efficace, électrons, positrons qui va en hadrons dans la vidéo 4.5.
La couleur est la propriété des quarks qui est
responsable de leurs interactions fortes.
La théorie formelle pour traiter ces interactions,
est la chromodynamique quantique, appelée aussi QCD.
La couleur peut prendre trois valeurs différentes, rouge, vert ou bleu.
Un quark peut porter une seule couleur non nulle.
Les anti-quarks prennent des anti-couleurs.
Les interactions entre quarks procèdent par un échange de couleurs.
Et les bosons médiateurs de l'interaction forte sont huit gluons
qui portent une charge couleur et une anti-couleur.
Elles ne sont donc pas neutres en charge couleur,
comme c'est le cas pour les photons ou pour les interactions électromagnétiques,
qui lui a une charge électrique nulle.
Pour les interactions fortes, il y a au total huit gluons, et non pas neuf, comme
on pourrait s'attendre en faisant toutes les combinations possibles des couleurs,
anti-couleurs, parce que la combination totalement symétrique rouge, anti-rouge,
vert, anti-vert, bleu, anti-bleu, n'a pas de couleur nette,
et donc ne participe pas aux interactions, et ne peut jamais être produite.
Les huit gluons sont des bosons vectoriels,
qui ont une charge électrique nulle, et une masse 0.
Les vertex de base pour l'interaction forte de quarks
changent la couleur d'un quark, qu'on va essayer dans ce diagramme de Feynman.
La constante de couplage g intervient au vertex et son carré apparaît dans
l'expression de la constante de couplage des interactions fortes,
alpha strong, comme g, qui équivaut à g carré sur 4 pi,
de façon tout à fait analogique,
à la constante de structure fine, pour les interactions électromagnétiques.
L'interaction forte a la même intensité pour toutes
les trois couleurs ou pour toute superposition de couleurs.
Il y a donc invariance sur des rotations globales dans l'espace des trois couleurs.
Selon le théorème de Noether,
ceci implique une loi de conservation pour la couleur.
Par conséquent, les vertex conservent la couleur.
L'amplitude correspondante est indépendante des saveurs des quarks,
de leurs charges électromagnétiques qui sont
ignorées et conservées par les interactions fortes.
Les gluons portent eux-mêmes de la couleur,
donc ils sont capables d'interagir entre eux.
Et puisqu'ils portent en plus une couleur et une anti-couleur, il existe deux vertex
additionnels, qui sont montrés par ces deux diagrammes de Feynman.
Le vertex entre trois gluons, qui est proportionnel à g,
et qui a une force de la même taille du vertex, quark, gluon.
Et le vertex entre quatre gluons,
qui lui est proportionnel à g carré, et donc est défavorisé.
Les couleurs qu'on indique ici sur ce vertex, c'est un exemple.
Il n'est pas exhaustif de toutes les combinations possibles.
La couleur n'intervient pas comme un nombre quantique dans les hadrons,
qui sont neutres en couleur.
Si on considère toutes les combinations attractives et répulsives entre quarks,
dues à l'échange de gluons, on trouve en effet que seulement de cet allié quark
anti-quark, comme on voit dans le pion.
Ou de cet allié de trois quarks,
comme on trouve dans les protons et les neutrons, correspond à un état lié.
Ils sont tous des combinations de couleurs neutres.
D'autres combinations de quarks subissent une force répulsive et
ne correspondent pas à un état stable.
Mais des combinations de trois quarks, plus une paire quark anti-quark,
que l'on appelle des états pentaquarks, semblent bien exister, comme annoncé
par une récente découverte de l'expérience LHCb au CERN.
On ne sait toutefois pas encore si les cinq quarks sont vraiment tous les cinq
fortement liés entre eux, comme on le montre dans le graphisme de droite,
ou bien c'est plutôt un couple méson-baryon, faiblement liés entre eux.
Les mésons contiennent une superposition de paires quarks anti-quarks.
Les différentes couleurs sont en proportion égale.
On montre ici un instantané de l'intérieur d'une maison iii.
Le gluon a changé entre les quarks.
Vous retrouvez la liaison.
On change en effet constamment la couleur des quarks, comme dans l'esquisse ici,
mais en préservant toujours la couleur globalement blanche du hadron.
Le même mécanisme se passe à l'intérieur d'un baryon.
Entre hadrons, par exemple dans un noyau, les objets de couleur neutre sont
échangés pour rétablir la liaison, sauf de très courte distance.
Il résulte de la description de la force nucléaire à iii est très difficile,
bien qu'une théorie quantique des champs existe pour l'interaction entre quarks
et gluons, la chromodynamique quantique, comme on vient de dire tout à l'heure.
A courte distance, l'échange de gluons produit un potentiel entre quarks
et anti-quarks,
qui est analogue à celui qu'on sait pour le photon, dans un état positron-anion.
Ce potentiel varie avec la distance comme un Suaire.
A grande distance, on a un comportement complètement différent.
Le potentiel devient de plus en plus grand avec la distance,
il est proportionnel à la distance r.
Et nous avons vu dans la dernière vidéo un potentiel qui convient à la description
des spectres des états g, psi et upsilon.
Le potentiel à l'intérieur des hadrons doit être généré
dynamiquement par l'interaction entre quarks et gluons.
Mais l'obtention de ce résultat est compliquée, par des difficultés à la fois
conceptuelles et théoriques, et techniques.
Parce qu'il faut incorporer à la fois le confinement de la couleur à grande
distance, et le mouvement quasi libre et relativiste des quarks à courte distance.
Il faut ensuite traiter des états multiples quarks gluons.
Et enfin, il faut tenir compte de l'évolution de la constante de couplage
forte alpha strong, avec le transfert de quadri-impulsion Q carré.
Les techniques de calcul se simplifient si on remplace le continu de
l'espace-temps par un réseau de points discrets,
et qui est distant de mailles a, semblables à la structure d'un cristal.
L'espace-temps continu est récupéré dans la limite d'un réseau
infiniment grand avec la dimension de la taille a, qui tend vers 0.
Cette discrétisation qu'on introduit
nous produit une limite inférieure de l'impulsion de l'ordre de 1 sur a,
qui régularise les divergences inhérentes à la QCD pertubative.
Les calculs numériques demandent des ressources informatiques formidables,
donc ils sont normalement réalisés sur des superordinateurs les plus puissants.
Avec cette méthode non perturbative,
on parvient à des résultats concernant les spectres des baryons les plus légers,
des hadrons les plus légers, comme on le montre ici dans la figure de droite.
Les paramètres du calcul sont la constante de couplage des interactions fortes alpha
strong et les masses de quarks légers up, down et strange,
qui sont fixés en utilisant comme référence la masse du pi, du K, et du ksi.
Ceci suggère que la QCD est la théorie correcte pour les interactions fortes,
même à de grandes distances.
Les lois des distances pour l'interaction électromagnétique et forte
sont fondamentalement différentes.
Le potentiel électromagnétique diminue comme l'inverse de la distance,
à n'importe quelle distance.
Le potentiel fort devient de plus en plus important à grande distance,
et augmente proportionnellement à la distance.
Pour comprendre cette différence, il faut considérer les corrections quantiques
aux propagateurs du photon et du gluon.
Dans le cas du photon, une correction importante du propagateur est celle qui
introduit une boucle électron-positron dans le propagateur du photon,
comme on le montre dans ce diagramme de Feynman à gauche.
C'est le phénomène de la polarisation du vide, où la boucle va créer
des charges électriques additionnelles, entre le projectile et la cible.
Et donc, dans un langage électrostatique, on peut dire que
ces charges additionnelles vont écranter la charge de la cible.
La charge effective diminue avec la distance,
et donc elle croît avec le transfert d'impulsion Q carré.
Et ceci est ce qu'on trouve aussi expérimentalement,
comme montré dans la figure de droite.
C'est la mesure de la constante de couplage électromagnétique en fonction du
transfert d'impulsion Q carré, réalisé par l'expérience L3 Collab.
Pour l'électrodynamique, ceci est toutefois un petit effet.
Pour pouvoir changer alpha de quelques pourcents,
il faut monter des transferts d'impulsions qui sont quasiment 0.
Donc de grandes distances, où alpha équivaut à 1 sur 137,
et mesuré dans le penning trap, comme on avait vu dans le module 4,
jusqu'à des énergies qui sont typiques du Large Electron-Positron collider du CERN,
où le transfert d'impulsion équivaut la masse du boson Z.
Pour les interactions fortes, cet effet est par contre beaucoup plus prononcé.
A cause de la taille du couplage fort,
la polarisation du vide, et la variation de la charge nette sont plus importantes.
En plus, le signe de l'effet est inversé.
La force forte devient de plus en plus forte avec la distance.
Ceci est dû au fait qu'il existe deux types de polarisation du vide
pour les gluons.
L'analogue, la polarisation électromagnétique introduit une boucle de
quarks dans le propagateur de gluons, qui masquent la charge de couleur.
En plus, le couplage de gluons introduit des boucles de gluons additionnels,
dans les propagateurs de gluons, qui ont un signe opposé.
Donc, les boucles de gluons introduisent des paires de charges couleurs
anti-couleurs additionnelles, qui sont attractives
et renforcent la charge couleur de la cible, au lieu de la masquer.
A cause du grand nombre de gluons, et de leur masse 0,
les boucles de gluons dominent la polarisation du vide.
Par conséquent, la charge couleur de la cible augmente avec la distance
qui est proportionnelle à l'inverse du transfert en impulsion.
On trouve cet effet expérimentalement, comme le montre la figure de droite
et on voit qu'il est beaucoup plus notable que son analogue électromagnétique.
Dans la prochaine vidéo, on verra comment ces propriétés particulières
des interactions fortes nous empêchent d'observer des quarks libres.
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