6.3 Charges et interactions faibles

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

51 notes

University of Geneva

Physique des particules - une introduction

51 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

Interactions électro-faibles

Pendant ce module on approfondit notre discussion des forces en y rajoutant les forces faibles. Vous comprendrez mieux la relation entre particules et antiparticules, moyennant les transformation de conjugaison de charge et de parité. Vous rencontrez les charges faibles et les bosons qui transmettent la force faible. A travers quelques réaction exemplaires, vous apprécierez les spécificités de la force faible et sa relation avec la force électromagnétique. Vous rencontrez les propriétés fascinantes des neutrinos. Et vous serez libéré d'un de vos préjugés, qui dit probablement que la masse des quarks et leptons est une de leurs propriétés intrinsèques.

6.3 Charges et interactions faibles11:01

Rencontrer les enseignants

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

[MUSIQUE]

[MUSIQUE] Alors dans ce sixième module on est en train

de discuter les interactions faibles, et dans cette troisième séquence vidéo,

on passera à travers les propriétés générales de ces interactions,

qui ne sont pas tout à fait comme celles des autres interactions.

Après avoir suivi cette vidéo,

vous connaîtrez la non conservation de la parité par les interactions faibles,

et les vertex principaux et les charges des interactions faibles.

En effet, les interactions faibles ne méritent pas vraiment leur nom.

Leur faiblesse apparente et à basse énergie,

est due au fait qu'elles sont transmises par des particules lourdes,

comme le W et le Z qui sont montrés, dans ces diagrammes de Feynman.

C'est donc le propagateur de ces particules lourdes qui affaiblit

l'amplitude à bas transfert d'impulsion.

Les constantes de couplage par contre, g et g' dans ce diagramme,

sont du même ordre de grandeur que la charge électrique e.

En effet ils sont reliés entre eux par ce que l'on appelle

la condition d'unification, que je vous donne en bas de ce transparent,

qui établit une relation entre la charge électrique,

la constante de couplage des interactions faibles charges et g,

et g' qui est la constante de couplage du Z.

Ceci fait intervenir ce que l'on appelle l'angle de Weinberg, Thêta w,

qui vaut à peu près 30°.

La tangente de cet angle est en effet le rapport entre g' et g,

les deux constantes des interactions faibles.

La comparaison entre le diagramme au milieu et le diagramme à droite,

fait apparaître le fait qu'ils sont assez similaires dans leurs structures,

c'est-à-dire que les interactions faibles neutres, sont assez semblables

aux interactions à faibles charges et aux interactions électromagnétiques.

Ils peuvent même interférer l'un avec l'autre

quand il s'agit d'interactions entre particules chargées.

Les interactions faibles neutres, comme les interactions électromagnétiques,

conservent la saveur, et les interactions faibles chargées peuvent la changer.

Il y a aussi des différences majeures,

entre les interactions faibles et électromagnétiques.

Primo, la charge faible est une quantité à deux composantes, au contraste avec une

seule composante pour la charge électrique et trois composantes comme on avait vu,

pour les interactions fortes qui découlent de la couleur.

On l'appelle, pour les interactions faibles, l'isospin faible, par analogie

au spin ; on caractérise les particules donc, par leur isospin faible total,

T et sa troisième composante, T trois.

Ensemble, ils déterminent les constantes de couplage

g et g' ensemble avec la charge électrique.

La force faible, et ça c'est la deuxième différence importante,

est transmise par des particules lourdes, le Z et le W.

La masse du W+- est de l'ordre de 80 gigaélectrovolts,

et celle du Z est de l'ordre de nonante gigaélectrovolts,

et ceci en contraste flagrant avec la masse du

photon et la masse des gluons, qui sont tous les deux nuls.

En plus, les bosons chargés peuvent évidemment interagir

avec le photon parce qu'ils ont une charge électrique, et les trois bosons

ont aussi une charge faible, ce qui fait qu'ils peuvent interagir entre eux.

La troisième différence majeure,

est que les interactions faibles ne conservent pas la parité.

Ainsi, ils produisent des phénomènes de polarisation,

même à partir d'états initialement polarisés, ceci explique la petite

note d'attention que j'ai attachée aux charges faibles dans ce diagramme.

Cette non conservation de la parité est l'exemple le plus visible des symétries

qui sont respectées par les autres interactions,

mais non pas par les interactions faibles.

Celles-ci ne respectent même pas la symétrie combinée CP et sont,

par conséquent,

les seules interactions connues qui distinguent entre matière et antimatière.

En même temps, et probablement pour la même raison, elles sont les seules

interactions qui relient des particules de différentes générations, à un seul vertex.

Par conséquent, elles ne conservent pas la saveur, ce fait est bien établi pour les

quarks et vient d'être observé aussi pour les leptons.

Mais discutons d'abord la découverte de la non conservation de la parité

par les interactions faibles, c'est une expérience

en 1956, menée par C.S.

Wu, qui a amené Lee et Yang à conclure que les interactions faibles

ne sont pas invariantes sous l'opération de la parité, qui transforme un champs

avec des coordonnées T et R en le même champs avec des coordonnées T et- R.

Alors voici un schématique de cette expérience,

qui met en évidence cette non conservation de la parité.

Elle utilise la désintégration faible du neutron : neutron, proton,

et -u et barre, liés dans des noyaux de Cobalt 60.

A très basse température, de l'ordre de 0,01 Kelvin,

et en présence d'un champs magnétique, les vecteurs du spin de ces noyaux,

à J = 5, sont fortement alignés avec la direction du champs extérieur.

Leur désintégration convertit le Cobalt 60 en

Nickel 60 excité, avec J = 4,

moyennant évidemment l'émission d'un électron et d'un u et barre.

Alors ceci peut procéder par deux configurations de spin, qui sont montrées

ici, celle en haut émet l'électron

dans la direction opposée du spin du noyau,

et celle en bas l'émet dans la direction du spin du noyau.

L'expérience met en évidence la distribution angulaire du cas a)

uniquement et exclusivement, et n'admet même pas une,

même faible, contribution de la configuration b.

Ceci est une violation maximale de la parité, une violation complète,

parce que c'est la parité qui relie les deux configurations,

comme vous pouvez facilement le vérifier.

Cela veut dire que les interactions faibles n'admettent

que certaines polarisations des fermions intervenants.

Dans notre exemple, les deux spins de l'électron et du neutrino doivent être

alignés avec celui du noyau pour respecter la conservation du moment magnétique.

Par conséquent dans le cas a,

le spin de l'électron est antiparallèle à sa direction de mouvement,

celui de l'antineutrino est parallèle à sa direction de mouvement.

On trouve donc, que le lepton a une hélicité négative,

l'antilepton a une hélicité positive.

Le lepton est gaucher, l'antilepton est droitier.

Cette propriété, l'interaction faible, peut être généralisée.

Pour autant que l'on sache, le W interagit uniquement avec des

fermions d' hélicité négative et avec des anti-fermions d' hélicité positive.

Les interactions faibles, chargées, violent la parité d'une

façon absolument maximale.

Par conséquent, on arrange les leptons gauchers dans les doublets d' isospin

faible, les leptons droitiers dans des signes singlets.

De cette façon, les champs gauchers ont une charge faible et

se couplent aux W et aux Z, et les champs droitiers, non.

De la même manière, on arrange les Quarks dans les doublets

et singlets selon leur hélicité, comme le tableau en bas le montre.

On avait dit que le W et le Z aussi, sont porteurs de l'isospin

faible, ils forment un triplet de l'isospin avec T = 1.

Ils peuvent donc interagir avec eux, en plus les W+-

portent évidemment une charge électrique et peuvent interagir avec le photon.

Les interactions faibles conservent l'isospin faible,

telles que les vertex fondamentaux pour le W, et sont ceux que je montre ici.

Dans le premier diagramme, un lepton gaucher se transforme en neutrino gaucher,

en émettant un W- de T = -1.

La même chose pour le quark, où un quark de type up se transforme

en un quark de type down, moyennant l'émission d'un W-.

Les interactions du W changent donc T trois d'une unité,

donc un lepton chargé s'est transformé en neutrino ou vice-versa,

un quark de type up en quark de type down ou vice-versa.

Par contre, les interactions du Z gardent T trois le même, et conservent la saveur.

Alors ici, l'interaction d'un neutrino avec un Z,

et celle d'un quark avec un Z.

De cette manière, le W change la saveur, le Z ne garde le même.

Dans la prochaine vidéo, on va présenter l'interaction du W

prototype qui est la désintégration du mur.

[MUSIQUE]

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