La Physique des Particules Élémentaires

Une invitation au voyage...

« What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. »

Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter

Plan• En guise d’introduction: la quête du

fondamental• Des réponses pour des questions

simples:– De « quoi » le monde est-il fait ?– Comment tout cela « tient »-il

ensemble ?• A quoi cela « sert »-il ?• Et demain ? Les mystères non résolus…

La quête du fondamental• Depuis la nuit des temps,

l’homme a cherché à appréhender les briques « fondamentales » de son univers

• Fondamental = « simple », sans « structure »

• « On connaît la couleur, On connaît la douceur, On connaît l'acidité, Mais en réalité il y a des atomes et du vide. »Démocrite (400 avant J.-C.)

La quête du fondamental• 19ème siècle: l’atome • 1911: l’atome a une structure

interne, il est composé d’un noyau, d’électrons et … de vide!

• 1930: le noyau est lui-même composé de protons et de neutrons

• 1969: le proton, le neutron et beaucoup d’autres particules sont composés de quarks

• Aujourd’hui: la quête continue!

Des réponses pour des questions simples…

Depuis le début des années 70, les physiciens des particules ont synthétisé toutes leurs connaissances au sein d’un modèle unique: le « Modèle Standard »

De « quoi » le monde est-il fait ?• De quarks

– Les quarks sont les constituants élémentaires (sans structure interne connue) des protons, des neutrons et de centaines d’autres particules

– Ils portent une charge électrique fractionnaire

– On en connaît à l’heure actuelle 6 « saveurs » différentes

– Chacun peut exister en trois « couleurs »: rouge, vert ou bleu

– Ils ne s’observent jamais seuls, ils se regroupent en particules « blanches » nommées hadrons. On distingue les « baryons » (3 quarks) et les « mésons » (quark+antiquark)

De « quoi » le monde est-il fait ?

• De leptons– Il existe 6 leptons

différents: l’électron et ses deux jumeaux (le muon et le tau) ainsi que 3 neutrinos

– Ces particules portent des charges entières et n’ont pas de « couleur »

– Les neutrinos sont des particules « fantômes » qui interagissent très peu et qui ont une masse probablement très faible

Aparté: l’énergie en physique des particules

• L’unité d’énergie utilisée par les physiciens de particules est « l’électron-volt »:

1 eV = 1,6 £ 10-19 J• 100 TeV = 100 £ 1012 eV = Énergie

dépensée par un moustique pour s’élever de 1m!

• E=mc2, on exprime donc la masse des particules élémentaires en E/c2, soit en keV/c2, en MeV/c2 et en GeV/c2

• Masse d’un neutrino (' 0.1 eV) par rapport à la masse du quark top (' 180 GeV) , masse d’un grain de pollen par rapport à la masse d’un porte-avions!

De « quoi » le monde est-il fait ?

• De matière… et d’antimatière!– Chaque particule de

matière possède un double de même masse mais de charge opposée: c’est l’antimatière

– Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent en pure énergie

– De cette énergie peuvent à nouveau émerger d’autres particules grâce à la célèbre loi E=mc2

Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

• Les bosons intermédiaires– Contrairement aux

fermions de la matière (spin ½), les bosons sont des particules de spin 1

– Un boson intermédiaire est une particule à part entière associée à une des trois interactions fondamentales. On dit que les particules se les « échangent » pour interagir.

Aparté: la quantité de mouvement en physique des

particules• La quantité de mouvement d’un objet est

définie comme le produit de sa masse par sa vitesse :

• Lorsqu’une force s’applique à cet objet, sa quantité de mouvement varie

• Si aucune force extérieure ne s’applique, la quantité de mouvement totale est conservée

• Pour le système homme+bateau, on a

• Lors de la désintégration d’une particule au repos en 2 autres particules, ces dernières doivent donc porter des impulsions de sens opposé

• Les physiciens utilisent souvent des « diagrammes de Feynman » pour symboliser l’échange d’un boson intermédiaire entre deux particules élémentaires

• Ce boson « transporte » une certaine quantité de mouvement d’une particule à l’autre (ainsi qu’une certaine quantité d’énergie cinétique ½(mv2)=p2/(2m) )

• Les quantités de mouvement s’expriment en keV/c, en MeV/c et en GeV/c

Aparté: la quantité de mouvement en physique des

particules

• L’interaction électromagnétique– Théorie unifiée de

l’électricité (e.g. des charges opposées s’attirent) et du magnétisme (e.g. une boussole indique le nord)

– Le messager de l’interaction électromagnétique est le photon, composant fondamental de lumière de masse nulle

– Seules les particules chargées sont sensibles à cette interaction, sa portée est infinie

Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

• L’interaction faible– Responsable, entre autres, de la

désintégration du neutron. C’est, comparativement, la plus faible des interactions en physique des particules

– Les médiateurs de l’interaction faible sont les bosons Z0, W+ et W-, ces derniers sont, à l’inverse du photon, très massifs (80-90 GeV)!

– La portée de l’interaction faible est très limitée (¼ 10-18 m ! )

Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

• L’interaction forte– Elle permet aux protons du

noyau (de même charge !) de rester « attachés » ensemble

– Les médiateurs de l’interaction faible sont les gluons de masse nulle

– Seules les particules « colorées » comme les quarks et les gluons y sont sensibles

Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

• L’interaction forte– Sa portée est très limitée mais son

intensité augmente avec la distance– Quand on tente des séparer un quark et

un antiquark, l’interaction entre eux devient tellement importante que de leur énergie de liaison peut se transformer en une nouvelle paire quark-antiquark

Comment tout cela « tient »-il ensemble ?

A quoi cela « sert »-il ?GPS

Relativité Restreinte & Générale, A. Einstein

Ondes RadioElectromagnétisme

J. C. Maxwell

Laser

Mécanique Quantique,

E. Schrödinger & autres

• Le boson de Higgs – Dans le Modèle Standard certaines symétries

de la théorie interdisent aux bosons intermédiaires d’acquérir une masse

– Grâce à une « brisure spontanée » de ces symétries, le problème peut être contourné

– Pour réaliser cette « brisure spontanée », une particule mystérieuse est nécessaire, c’est le boson de Higgs.

– Cette particule reste introuvable pour l’instant…

Et demain ? Les mystères non résolus…

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une

symétrie• Situations symétriques

• Situations où la symétrie est brisée « explicitement »

• A partir d’un problème symétrique…

• …on peut obtenir des solutions qui ne possèdent plus la symétrie !

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une

symétrie

)

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Et demain ? Les mystères non résolus…

• Pourquoi les particules d’une même « famille » comme l’électron, le muon et le tau ont-elles des masses si différentes ?

• Pourquoi 3 « générations » dans chaque famille ?

• Pourquoi l’univers est-il essentiellement composé de matière et pas d’antimatière

• Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ?

Et demain ? Les mystères non résolus…

• Où se situe la gravitation dans ce schéma ?

• Les théories « au-delà du Modèle Standard » telles que la « supersymmétrie » ou la « théorie des cordes » seront-elles un jour vérifiées ?

• La quête du fondamental a-t-elle une fin ?

• … et bien d’autres questions qui attendent les générations de physiciens à venir !!!

« The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy.  »

Steven Weinberg