Le monde des particules

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Le monde des particules
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•  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

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Plan

• 1. Plongée au cur de la matière
• 2. De quoi le monde est-il fait ?
• Les particules
• 3. Comment tout cela tient-il ensemble ?
• Les interactions
• 4. Perspectives

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1. Plongée au cur de la matière
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La quête du fondamental

• Depuis la nuit des temps, lhomme cherche à
  appréhender les briques  fondamentales  de son
  univers
• Fondamental ???

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Structure de latome
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Structure de latome
Mécanique Quantique
10-10 m
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Strucure du noyau
10-14 m
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Structure des nucléons
Proton 2 quarks up 1 quark down
Neutron 1 quark up 2 quarks down
10-15 m
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2. De quoi le monde est-il fait?

• Les particules

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Caractéristiques dune particule

• Masse m
• Energie de masse Emc2
• Temps de vie t
• Particules stables / instables
• Largeur de désintégration Gh/t

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Caractéristiques dune particule

• Remarque
• Lunité dénergie en physique des particules est
  lélectron-volt
• 1 eV 1,6.10-19 J
• On utilise également
• le KeV, le MeV, le GeV et le TeV
• 100 TeV Energie dépensée par un moustique pour
  sélever de 1m!

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Caractéristiques dune particule

• Spin S
• Lié à la rotation de la particule sur elle-même
• Fermions S1/2, 3/2, 5/2,
• Principe de Pauli
• Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même
  état quantique
• Bosons S0, 1, 2,

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Caractéristiques dune particule

• Nombres quantiques
• Charge électrique
•  Couleur 

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Particules et antiparticules

• A toute particule est associée une antiparticule
• Masse, temps de vie, spin identiques
• Nombres quantiques opposés

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Particules élémentaires

• On connaît déjà

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Particules élémentaires

• On connaît déjà

Photon
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Leptons

• 6 leptons

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Leptons

• 6 leptons
• électron

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)
• 3 neutrinos

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Leptons

• 6 leptons
• électron
• muon (t 2.10-6 s)
• tau (t 3.10-13 s)
• 3 neutrinos
• 6 anti-leptons

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Quarks

• 6 quarks

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Quarks

• 6 quarks
• up et down

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom
• 3 couleurs R,B,V

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom
• 3 couleurs R,B,V
• 6 anti-quarks

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Quarks

• 6 quarks
• up et down
• charm et strange
• top et bottom
• 3 couleurs R,B,V
• 6 anti-quarks
• 3 anti-couleurs R,B,V

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Quarks

• Ils ne sobservent jamais seuls mais sassocient
  pour former des particules blanches les hadrons
• Baryon association de trois quarks
• Anti-baryon association de trois anti-quarks
• Méson association dun quark et dun anti-quark
• Pentaquarks ???

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Bosons de jauge

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Bosons de jauge

• Photon

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Bosons de jauge

• Gluon 8 couleurs/anti-couleurs

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Bosons de jauge

• W-, W et Z0

???
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3. Comment tout cela tient-il ensemble?

• Les interactions

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Quantité de mouvement et énergie

• Mécanique classique
• Quantité de mouvement
• Energie

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Quantité de mouvement et énergie

• Relativité restreinte
• Quantité de mouvement
• Energie
• Existence possible de particules de masse nulle!

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Interactions fondamentales

• Interaction
• Echange dénergie et de quantité de mouvement
  entre deux fermions via un boson de jauge

Diagramme de Feynman
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Interactions fondamentales

• Désintégration
• Annihilation / Création

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Interaction électromagnétique

• Elle réunit dans un même formalisme
• Les phénomènes électriques
• Les phénomènes magnétiques
• Loptique
• Elle est responsable de la cohésion de latome

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Interaction électromagnétique

• Au niveau fondamental
• Echange de photons entre particules chargées
• Portée infinie

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Interaction forte

• Elle est responsable de la cohésion
• des nucléons dans le noyau atomique
• des quarks et anti-quarks dans les hadrons

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Interaction forte

• Au niveau fondamental
• Echange de gluons entre particules colorées
• Portée limitée par le confinement

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Interaction forte

• Hadronisation

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Interaction faible

• Au niveau fondamental
• Echange de W-, W et Z0
• Portée limitée par la masse des bosons de jauge

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Interaction faible

• Désintégration du neutron

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Le boson de Higgs

• Un boson de jauge doit avoir une masse nulle, or
  les bosons W-, W et Z0 sont massifs
• Le problème peut être contourné grâce au
•  mécanisme de Higgs 
• Ce mécanisme de Higgs entraîne lexistence dune
  particule mystérieuse le boson de Higgs.
• Cette particule reste introuvable

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4. Les mystères non résolus
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Les mystères non résolus

• Pourquoi les particules dune même  famille 
  ont-elles des masses si différentes ?
• Pourquoi existe-t-il trois  générations  dans
  chaque  famille  ?
• Les trois interactions fondamentales sont-elles
  réellement différentes ?
• Sunifient-elles à très haute énergie ?
• Comment inclure la gravitation dans ce schéma ?

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• et bien dautres questions
• qui attendent les générations
• de physiciens à venir !!!