The Physics of Star Trek

1
Université de Haute Alsace Faculté des Sciences
et Techniques
Licence Sciences et Technologies PHYSIQUE ET
CHIMIE, parcours Sciences Physiques L1-S1 Introd
uction aux Concepts de la Physique N4
Forces Dominique Bolmont
2
FORCES
The most beautiful thing we can experience is
the mysterious. It is the source of all true art
and science. Those to whom this emotion is a
stranger, . . . are as good as dead their eyes
are closed. Albert Einstein
"Do not take the lecture too seriously . . . just
relax and enjoy it. I am going to tell you what
nature behaves like. If you will simply admit
that maybe she does behave like this, you will
find her a delightful, entrancing thing. Do not
keep saying to yourself "But how can it be like
that?" because you will get...into a blind alley
from which nobody has yet escaped. Nobody knows
how it can be like that.
Richard
Feynman
3
Forces et particules sont des concepts physiques
équivalents
4
Les forces physiques entre objets sont incluses
dans le concept plus général dinteractions. Lorsq
ue ces interactions cessent, les forces
disparaissent également. La notion usuelle de
force peut prendre des formes multiples alors que
le nombre dinteractions physiques dites
fondamentales est limité à quatre à notre échelle
courante dénergie.
5
 Différence  entre Force et Interaction en
Physique
Une force est leffet sur une particule dû à la
présence dune autre. Les interactions qui se
manifestent sur une particule incluent toutes les
forces qui laffectent, de même que les
désintégrations et annihilations quelle peut
subir. Il y a souvent confusion entre les deux
mots, confusion à laquelle nous néchapperons
pas, bien que le terme dinteraction soit plus
correct en physique des particules.
Une image macroscopique qui en vaut bien une
autre.. Deux joueurs de Basket. A une distance
suffisante, avec un ballon transparent, il nest
pas possible de voir le mouvement de ce dernier
alors que lon constate quil se passe quelque
chose dans le mouvement des joueurs. Le ballon
est similaire aux particules qui véhiculent les
interactions fondamentales entre deux particules.
6
Comment les particules interagissent-elles ?
Comment des particules qui ne se touchent pas
peuvent-elles interagir? Comment les deux aimants
 sentent-ils  la présence lun de
lautre? Comment le Soleil attire-t-il la
Terre? A un niveau fondamental, une force nest
pas réductible à juste ce qui se passe entre les
deux particules. Une telle force met en œuvre
quelque chose qui passe dune particule à lautre.
En général non visibles
Ainsi, les interactions entre les particules sont
dues à des échanges dentités physiques que lon
appelle particules véhicules de la force. Il est
à noter quune particule, véhicule dune certaine
force, ne peut être absorbée où émise que par une
particule de matière qui va être affectée par la
force en question. A titre dexemple, électrons
et protons qui ont des charges électriques
peuvent produire et absorber le véhicule de la
force électromagnétique le photon.
Les particules véhicules des interactions sont
appelées des bosons. Ces médiateurs de force
transportent une quantité discrète dénergie
appelée quanta.
7
Les quatre Interactions fondamentales
Les forces qui nous sont familières, celles de la
vie de tous les jours, sont celles de la
Gravitation et de lÉlectromagnétisme. Tous les
phénomènes connus à la fin du 19ème siècle
pouvaient être expliqués avec ces deux
forces. Mais différents phénomènes ont commencé à
émerger, non expliqués en terme de gravitation et
délectromagnétisme
- Les rayons X (Roentgen 1895) - La
radioactivité (Becquerel 1896) - Lélectron
(Thomson 1897) - Le noyau (Rutherford
1911) Toutes ces découvertes, et bien dautres,
ont conduit à la nécessité dune description de
la matière et des radiations en terme de
particules et de quanta dénergie - Lidée de
quantification (Planck 1900) - La quantification
de la lumière (Einstein 1905) - Le noyau
(Rutherford 1911) - LAtome (Bohr 1913)
8
(No Transcript)
9
Le Modèle Standard

• Toutes les interactions fondamentales peuvent
  être considérées comme procédant dun échange de
  particules dun type particulier.
• Il convient donc de considérer deux types
• de particules
• les particules qui sont lobjet dinteraction,
  
  principalement la
  matière
• les particules qui véhiculent les interactions,
  
  support des interactions
  (bosons)

Missing H Higgs q0
Le Modèle Standard décrit avec un succès certain
trois des quatre forces de la nature et leurs
interactions avec la matière et autres
particules. La force gravitationnelle nest pas
incluse dans le Modèle Standard.
10
Si le boson vecteur de force est sans masse
propre, alors la "portée" de la force est
infinie. Sinon, la force a une portée limitée.
Par exemple, le photon n'ayant pas de masse
propre , l'électromagnétisme agit à grande
distance. Par contre, les forces nucléaires qui
dérivent de l'interaction forte (nous en
parlerons plus tard) et qui ont un vecteur massif
n'agissent qu'à courte distance au sein du
noyau atomique. Le lien entre masse du boson et
portée de la force est lié au principe
d'incertitude sur le temps et l'énergie. Le boson
qui est échangé est comme une particule
virtuelle, il est créé (émis par une particule)
puis détruit (absorbé par l'autre). Cet échange
prend un certain temps puisqu'il ne peut pas
dépasser la vitesse de la lumière. Le principe
d'incertitude dit que l'incertitude sur l'énergie
est d'autant plus faible que ce temps est grand.
Or pour créer une particule massive, il faut au
moins l'énergie correspondant à sa masse propre
(on a vu que la masse c'est de l'énergie). Donc,
pour une particule massive le temps d'échange est
limité et donc aussi la distance. Par contre,
pour un photon pas de limite. Si la distance est
grande, l'énergie "disponible" est faible mais un
photon peut avoir une énergie aussi petite que
l'on veut, il suffit que sa fréquence soit
petite. Cela explique aussi qu'à grande distance
la force électromagnétique est moins grande
puisque les énergies en jeu sont plus faibles.
11
Histoire de LUnification
12
(No Transcript)
13
Forces Intensité relative dans le noyau Intensité relative hors du noyau Particule véhicule de la force Domaine defficacité dominante
Nucléaire Forte 100 0 Gluon (8) Lier les nucléons entre eux
Électromagnétique 1 1 Photon Entre les charges électriques chimie,biologie, matériaux, mécanique..
Nucléaire Faible 10-5 0 Boson faible (3, Higgs?) Réactions nucléaires
Gravitation 10-43 10-43 Graviton Grandes structures massives
14
Forces Particules soumises aux actions Nature de la charge dinteraction Particule véhicule de la force Théorie Mise en oeuvre
Nucléaire Forte Quarks Couleur Gluon (g) (sans masse) Quantum Chromodynamics
Électromagnétique Particules chargées Charge électrique Photon (?) (sans masse) Quantum Electrodynamics
Nucléaire Faible Quarks, leptons Charge de saveur Boson faible W, W-, Z0 (massif) Quantum Fieldynamics
Gravitation Toutes les particules Masse Graviton (sans masse) Gravitation ..?
15
Une représentation très particulière
(particulaire) Diagrammes de Feynman
16
Lénergie dexcitation dun système saccroît
lorsque sa taille décroît. Pour produire ses
états excités il faut des énergies de plus en
plus grandes, comme celles produites par les
accélérateurs de particules.
17
La Gravitation
18
La Gravitation
La plus anciennement connue, la plus anciennement
manifeste, mais probablement la plus difficile à
formaliser suivant les concepts de la physique
moderne. Cette force attractive est responsable
de la structure matérielle apparente de lUnivers
de même que des propriétés de lespace-temps.
Elle régit le mouvement et la disposition des
planètes, des étoiles, des galaxies et autres
objets du cosmos, de même que de nombreuses
manifestations à notre échelle terrestre.
19
Plan incliné et chronomètre de Galilée
Au moment précis où sa main droite lâche la boule
dont il veut mesurer laccélération en la
laissant rouler le long du plan sur une distance
déterminée, il doit commencer à laisser couler de
leau de ce qui lui sert de chronomètre.
Aussitôt quil entend la boule frapper le lieu où
il a été décidé de mettre un arrêt, il doit
interrompre lécoulement de leau, qui est
recueillie dans un vase au-dessous du
chronomètre. La pesée de leau donne une mesure
du temps de chute. Avec un peu de pratique, cette
méthode donne des résultats valides à 1/20ème de
seconde près et permet détablir
expérimentalement la fameuse loi mathématique de
la chute des corps, le plus grand titre de gloire
de Galilée en science, celui qui lui vaudra la
reconnaissance de Newton et qui fournira à ce
dernier une clef vers lidée de gravitation.
20
Galilée
Il sagit dun appareil galiléen affecté à une
étude qui cherche à unifier les observations sur
des plans inclinés avec celles sur les pendules.
21
Galilée
Les pendules de gauche pour vérifier
lisochronisme des oscillations, avec des
matériaux de matières différentes à volume
constant et à longueur constante. Les pendules de
droite pour vérifier que la période des
oscillations, cest-à-dire le temps écoulé entre
deux passages successifs dun système oscillant
dans la même position et dans le même sens,
dépend de la longueur de la corde qui pend pour
un volume et un poids constant.
22
Au sens de la physique des particules la force de
gravitation est très faible. Elle est manifeste à
léchelle du cosmos dans la mesure où les objets
mis en jeu ont une masse très importante. La
particule qui véhicule cette interaction est le
graviton.
La gravitation ressort manifestement dune
interaction fondamentale. Toutefois, le Modèle
Standard ne peut en expliquer lorigine et les
propriétés. Elle reste un problème majeur de la
Physique daujourdhui. Heureusement, ou
malheureusement, lintensité de la force de
gravitation est si faible que cette interaction
fondamentale ne vient pas perturber la robustesse
du Modèle Standard, tant sur le plan théorique
que sur le plan expérimental. Le Modèle Standard
peut fonctionner sans expliquer la gravitation.
23
La force de gravitation a été pour la première
fois correctement formulée par Newton, bien que
ce dernier nait jamais accepté lidée de force à
distance.  That one body may act upon another at
a distance through a vacuum without the medium of
anything else.. is to me so great absurdity,
that I believe no man, who was in philosophical
matters a competent faculty for thinking, can
ever fall into Isaac Newton La force de
gravitation a une distance daction infinie avec
un potentiel qui à la distance r varie comme
1/r Un des aspects remarquables de la force de
gravitation, qui agit sur toutes les particules
massiques, réside dans le fait que seule la
quantité de masse intervient numériquement,
indépendamment de la nature de la matière
constitutive des particules en interaction. De
même la relation entre force et mouvement est
indépendante de la nature de la masse,
constatation à la base du principe déquivalence
énoncé par Einstein dans sa théorie de la
Relativité Générale. Comme nous lavons
entraperçu dans la leçon sur la Relativité, la
gravitation est décrite en terme de courbure de
lEspace-Temps, formalisation cohérente du
triptyque  Espace-Temps-Matière . Pour une
masse ponctuelle M agissant sur une autre masse
ponctuelle m soit une force qui en module est
inversement proportionnelle au carré de la
distance entre les deux masses G est la constante
universelle de gravitation
24
(No Transcript)
25
Mesure de la Gravitation au niveau du laboratoire
Balance de torsion Mesure faite par Henry
Cavendish en 1778 avec un appareil construit par
John Michell Sir Charles Boys calcule la
constante de gravitation universelle
G 6,664 10-11 Nm2/kg2 à partir des données de
Cavendish ceci un siècle plus tard La valeur
acceptée aujourdhui est G (6,6726 0,0001)
10-11 Nm2/kg2
26
Un effet les marées
27
Une des applications spectaculaires de la loi de
gravitation est la description du mouvement des
planètes contenu dans les lois de Kepler
formulées en son temps sans faire appel à une
quelconque loi de gravitation, mais uniquement
construite à partir de résultats dobservations
de grande qualité, essentiellement dus à Ticho
Brahé.
28
Lois de Kepler
Les trajectoires sont des ellipses avec le Soleil
comme foyer
Loi des Aires La vitesse de balayage du rayon
vecteur entre le centre de force (Soleil) et la
planète est constante
Relation entre la période T et le grand axe de
lellipse a
29
(No Transcript)
30
Lapplication de la mécanique de Newton ne
conduit pas à une explication complète de notre
système solaire. Entre autres anomalies le
mouvement de Mercure nest pas purement
elliptique (pour les autres planètes il en est de
même mais les écarts sont moins visibles).
Lorbite de Mercure est animée dun mouvement de
précession qui la déplace autour du Soleil (voir
plus de détails dans la leçon sur la relativité).
31
Une des manifestations de la gravitation est la
poussée dArchimède dans les fluides
32
Pourquoi la pomme tombe-t-elle ?
Aristote La pomme cherche à atteindre sa place
naturelle au centre de lunivers, la
Terre Newton La Terre exerce une force
dattraction sur la pomme Einstein La pomme se
meut le long du chemin le plus court dans un
espace temps courbe
33
Représentation de la gravitation en Relativité
Générale
Nous avons vu sommairement, dans la leçon sur la
relativité, comment la gravitation peut être
décrite en terme de structure de
lespace-temps-matière(énergie), conception
totalement nouvelle par rapport à la notion
conventionnelle de force.
34
(No Transcript)
35
Trou noir
36
Gravitation dans un espace à quatre dimensions
(géométriques)
Dans un espace 3D nous avons le résultat
classique de Newton
On montre que la force de gravitation de la masse
M dune sphère 3D sur une masse m vue dans un
espace 4D à la distance r est
Les mesures à très courtes distances devraient
permettre de distinguer la différence entre le
résultat 3D et celui de dimensions supérieures.
37
La Force Électromagnétique
La grande majorité des forces que nous
rencontrons dans la vie de tous les jours,
exception faite de la pesanteur due à la force de
gravitation de la Terre pour notre stabilité ou
instabilité, et à celle de la Lune pour les
marées, est dorigine électromagnétique. Toutes
les forces que nous rangeons sous le label
mécanique ou chimique sont dorigine
électromagnétique, nen déplaise aux
professionnels de ces disciplines dont la
totalité du corpus conceptuel peut se réduire à
létude de lélectromagnétisme, quil sagisse
des actions mécaniques entre les corps,
assemblage, contact, frottement, ou de la
cohésion de la matière depuis la stabilité des
atomes (exclu celle du noyau), des molécules, et
de la matière en générale organique ou pas. En
particulier, tous les mouvements de notre
organisme provoqués ou automatiques sont
dorigine électromagnétique.
38
Une telle hégémonie confère à cette force
attractive autant que répulsive un statut
dinteraction fondamentale qui se manifeste entre
les particules dotées dune charge électrique. La
particule véhicule de linteraction
électromagnétique est le photon. Les photons
peuvent être émis et absorbés par les particules
chargées délectricité.
39
Retour sur les diagrammes de Feynman
Représentation en 2-D dun mouvement 1-D
géométrique
Cette représentation ne fait pas règle. Les axes
sont souvent échangés.
40
Interaction entre deux électrons par un photon
virtuel échangé
1-Lélectron et le photon se déplacent lun vers
lautre 2-Le photon se décompose en un électron
et un positron se déplaçant en sens
inverses 3-Lélectron initial et le positron
produit sannihilent pour donner un photon
41

• q can be any quark, as long as there is enough
  energy to create 2 of them!

42
Comment faire interagir des quarks comme
 isolés  alors quils ne peuvent lêtre?
BOOM !
A haute énergie, les collisions se produisent
entre les deux baryons, proton et antiproton,
porteurs des quarks, entraînant ainsi
linteraction entre ces derniers qui ne sont pas
isolés au sens propre, mais qui peuvent interagir
comme sils létaient virtuellement.
43
Les photons de déplacent à la vitesse de la
lumière ce qui donne à linteraction
électromagnétique un caractère dinstantanéité
apparente à notre échelle. Les effets de retard
liés à la propagation entre la source et la
réception sont pris en compte en théorie de
propagation des ondes électromagnétiques. Il doit
être compris, bien que non apparent, que
linteraction  classique  entre deux charges
électriques de lélectricité vue à son niveau
conceptuel le plus élémentaire, procède du même
phénomène physique que la propagation de la
lumière constituée par un grand nombre de
photons. Comme pour la gravitation, la force
électromagnétique à une distance daction
illimitée avec un potentiel qui dépend de la
distance r en 1/r. La loi de force entre deux
charges ponctuelles, que nous devons à Coulomb,
est du
même type mathématique que celle de lattraction
universelle due à Newton.
Pour laction de la charge q sur la charge q

, elle
varie comme le carré inverse de la distance.
Le magnétisme et les forces qui en découlent
trouvent leur origine dans la même force de
Coulomb si on lui ajoute la relativisation de
lespace-temps de la Relativité Restreinte. Il
ny a pas de force magnétique fondamentale en soi.
44
Quelques forces intermoléculaires
45
(No Transcript)
46
(No Transcript)
47
Les Forces Nucléaires
Les noyaux des atomes
48
Si on essaye disoler deux quarks
La force nucléaire forte est responsable de
divers phénomènes à léchelle concernant les
hadrons tels que les baryons (proton, neutron,
hyperons, etc.) et les mésons ( K , etc.). Elle
concerne également diverses manifestations
incluant la désintégration nucléaire, la fission,
la fusion, les liaisons au sein des noyaux et la
résonance des hadrons. Hadrons particules
constituées à partir des quarks et qui sont de
deux types, les baryons et les mésons.
49
La Force Nucléaire Forte
Les noyaux des atomes leur stabilité
Les noyaux des atomes sont des agglomérats de
protons et de neutrons formant un ensemble
lié. Puisque les neutrons ne portent pas de
charge électrique et que les protons sont tous
positifs, il devrait y avoir une très forte
répulsion entre les protons empêchant toute
stabilité du noyau si une autre force de cohésion
des nucléons nétait pas présente.
Comme force attractive nous avons la gravitation
mais cette dernière est beaucoup trop faible pour
balancer lélectromagnétique (facteur
10-40). Pour approcher au plus près cette
nouvelle force nécessaire rappelons que les
nucléons que sont les protons et neutrons sont
constitués de quarks.
u quark up charge électrique 2/3e d quark up
charge électrique -1/3e
50
En plus de leur charge électrique, les quarks ont
une charge de couleur rouge, bleue, verte. Ce
que lon appelle ici couleur na rien à voir avec
le sens habituel attaché à cette propriété. Il
sagit uniquement de caractériser une certaine
propriété de manière démonstrative.
Les gluons, véhicules de linteraction
responsable de lattraction entre les quarks,
interaction nucléaire forte, ont aussi une
couleur (huit possibles au total) et
interagissent avec les particules qui ont aussi
une couleur. Les particules qui possèdent une
couleur peuvent interagir entre elles par le
biais de léchange de gluons. Les état liés nont
pas de couleur, comme toutes les particules
observées. Par exemple un proton, composé de
trois quarks de couleurs différentes na pas de
couleur Rouge Vert Bleu pas de
couleur Deux quarks proches lun de lautre
échangent des gluons et créent un champ de force
de couleur très intense qui les lie.
51
Le champ de force de couleur résiduel des protons
et des neutrons contribue à les lier entre eux en
sopposant à la force électromagnétique qui
sexerce entre les protons. Cette force nucléaire
forte qui existe entre particules qui nont pas
de couleur comme les protons et les neutrons,
provient donc dun champ de couleur résiduel,
comportement analogue à ce que lon rencontre
dans les forces électriques de Van der Waals
entre moments dipolaires électriques dont la
charge électrique est nulle pour chacun et qui
pourtant interagissent.
La force nucléaire forte est responsable de
nombreux comportements à léchelle des noyaux -
désintégration nucléaire - fusion - fission La
distance daction de la force nucléaire forte est
de lordre de 10-13 cm
52
Lintensité caractéristique de chaque interaction
on lappelle constante de couplage intervient
dans tout calcul de taux dinteraction ou de
désintégration des particules élémentaires il
sagit dun nombre sans dimension. Elle est une
fonction de la charge associée à linteraction
quelle exprime.
Sur les graphiques on voit que la constante de
couplage de l'interaction forte varie en sens
inverse des autres. Effectivement, lorsque les
particules sont très proches (à haute énergie) la
constante de couplage est petite. Cela signifie
que l'interaction forte augmente avec la distance
(comme avec un ressort).Une situation assez
extraordinaire. C'est à dire que les quarks ne
peuvent être isolés et restent confinés dans les
hadrons.
53
La Force Nucléaire Faible
Les noyaux des atomes leur instabilité
Linteraction faible est responsable de la
désintégration des quarks et des leptons massifs
en des quarks et des leptons moins massifs.
Quand une particule se désintègre elle est
remplacée par une ou plusieurs particules. Bien
que lensemble masse-énergie soit conservé,
certaines particules originelles massives sont
converties en énergie cinétique, et les
particules résultantes ont toujours une masse
totale plus faible. La seule matière qui soit
stable est celle constituée de quarks et de
leptons les plus petits et qui ne peuvent plus se
désintégrer. Sa distance daction est très
courte 10-16 cm. Cest une des deux seules
interactions à laquelle soient sensibles les
neutrinos (lautre est la gravitation).
Les Interactions faibles ne respectent rien...
54
Les neutrinos sont des leptons. Puisquils nont
ni charge électrique ni charge forte, ils
ninteragissent pratiquement jamais avec les
autres particules. La plupart des neutrinos
passent à travers des corps matériels aussi
massifs que la Terre sans interagir avec un seul
atome.
55
La radioactivité, par exemple la désintégration
des neutrons, est une manifestation de la force
nucléaire faible. Au niveau des quarks, un quark
down du neutron se transforme en un quark up en
émettant un boson W, particule véhicule de
linteraction nucléaire faible.
56
Raphaël Veil
57
(No Transcript)
58
Symétries de Charge et de Parité
59
(No Transcript)
60
Violation de la parité de linteraction faible
Après inversion par parité P, on s'attendrait à
ce que la rotation d'un neutrino soit inversée
(hélicité droite). Mais le monde n'est pas ainsi
! Il n'existe que des neutrinos dhélicité
gauche. Donc, même après parité, les neutrinos
prévus par la théorie sont encore des neutrinos
d'hélicité gauche. La théorie (et la nature)
viole la parité. C'est une conséquence de
l'interaction faible qui viole la
parité L'opérateur pour la conjugaison de charge
s'appelle C et il change, par exemple, les
électrons en positrons. Le neutrino possède une
anti-particule appelée, bien évidemment,
anti-neutrino. Mais les lois de l'interaction
faible ne respectent pas non plus cette symétrie
! Par contre, elles sont invariantes sous la
combinaison des deux, c'est à dire sous
l'opérateur PC. Si on effectue une opération de
conjugaison de charge suivie d'une parité, le
système est invariant aussi pour les neutrinos et
l'interaction faible. On a longtemps cru que
cette double opération PC était toujours
invariante. C'est-à-dire qu'elle était une
symétrie conservée pour toutes les lois de
l'univers. Mais on a découvert des particules,
les mésons K, qui violent cette symétrie . C'est
une propriété de l'interaction forte.
61
Théorème PCT Les théoriciens ont réussi à
démontrer mathématiquement (ce qui est une très
belle réussite) que dans un monde quantique
relativiste (le nôtre), la combinaison des trois
symétries était toujours respectée. C'est-à-dire
que le monde est invariant sous la combinaison
des trois opérateurs PCT . T est le renversement
du temps. Il sagit de faire t en t dans les
équations Cela implique que si une des trois
symétries est non respectée, alors forcément la
combinaison des deux autres doit également être
violée pour pouvoir rétablir l'invariance de la
combinaison des trois symétries. On a vu que
l'interaction forte violait la symétrie CP. Cela
signifie qu'elle doit obligatoirement violer la
symétrie T . Le comportement des mésons K n'est
pas invariant par renversement du temps
! Faut-il voir là l'origine de la flèche du
temps ? C'est-à-dire du fait que le temps semble
s'écouler dans un sens privilégié ? Non,
probablement pas. Du moins pas directement. Cette
asymétrie dans le sens du temps est un effet
statistique (décrit par la thermodynamique qui
dit que le sens du temps se fait toujours de
l'ordre vers le désordre) alors que cette
violation de la symétrie T par les interactions
fortes est mineure. Toutefois, si l'on recherche
l'origine de cette asymétrie dans l'univers, on
finit par réfléchir à l'univers tout entier et à
sa création! On en vient à se demander pourquoi à
l'origine l'univers était très ordonné et à la
fin de l'univers (il sera) très désordonné.
L'origine de cette asymétrie dans la nature
globale de l'univers pourrait avoir une origine
fondamentale qui n'est pas nécessairement
étrangère avec celle constatée dans l'interaction
forte.
62
Antimatière Le théorème PCT a des conséquences
extraordinaires. Il implique notamment
l'existence de l'antimatière. C'est-à-dire que
pour toute particule il doit exister une
anti-particule avec la même masse mais avec
toutes ses charges opposées . Ainsi nous avons
déjà parlé du positron, de l'anti-neutrino, mais
il y a aussi l'anti-proton, l'anti-neutron,
Toutes ces particules ont réellement été
observées. Parfois, pour certaines particules qui
ne portent aucune charge (ni électrique, ni
autre), la particule est sa propre
anti-particule. C'est le cas du photon.
L'anti-photon est identique au photon, c'est la
même particule. L'univers est essentiellement
composé de matière. Si une partie de l'univers
était faite d'anti-matière cela ne passerait pas
inaperçu. En effet, lorsque de la matière
rencontre de l'anti-matière, il y a annihilation
totale. Les deux se désintègrent totalement pour
former des photons.
63
Le fait, que la symétrie CP ne soit pas
respectée, a des conséquences sur la matière et
l'anti-matière. Cela implique que dans les
réactions, l'une des deux peut être légèrement
favorisée. Cela pourrait expliquer pourquoi
l'univers est composé uniquement de matière. Le
Big Bang, prévoit qu'à une époque reculée
l'univers était plus petit, plus dense et plus
chaud. Dans cette soupe de particules très
énergétiques les réactions de collisions étaient
nombreuses et la matière et l'anti-matière
étaient en équilibre (à cause des collisions il y
avait autant de création de particules que de
désintégrations). Pour finir, toute la matière et
l'antimatière composant cette soupe s'est
refroidie et la matière s'est désintégrée avec
l'anti-matière. Il est juste resté un peu de
matière, qui formera un peu plus tard les étoiles
et les galaxies, le reste formant un bain d'ondes
électromagnétiques, de photons. Les physiciens
ont calculé qu'il suffisait d'un petit excès d'un
milliardième de matière pour expliquer l'aspect
et la composition de l'univers actuel. C'est très
peu et il pourrait s'expliquer par la violation
de la symétrie CP.
Remarque sur une conséquence de la relativité La
relativité a pour conséquence que le monde est
local. C'est-à-dire que les interactions à
distance peuvent être représentées par des champs
où les équations décrivent uniquement des
relations locales (pour des points voisins). Ceci
est dû à l'existence d'une vitesse limite pour
les signaux. Comme ceux-ci ne peuvent se propager
instantanément, les forces ne peuvent se propager
que de proche en proche. Comme on l'a vu avec les
vecteurs de forces et leurs portées.
64
Au-delà du modèle standard
This is the remaining piece of the puzzle that is
yet to be discovered LHC, the most powerful pp
collider is being built at CERN to discover this
object and, maybe, some even more exotic matter!
Masse des particules et unification des
interactions fondamentales The mystery of
mass Le modèle standard fait abstraction de la
masse des particules. Il est donc nécessaire
dintroduire la masse dans le système.
Cette unification qui ne prend effet quà très
haute énergie (température), postule lexistence
dune particule nouvelle H et à découvrir, le
Boson de Higgs. Cette particule interagit avec
les autres particules et leur donne une
masse. Deux expériences majeures sont prévues
pour mettre en évidence cette particule un
programme au Fermilab dans lIllinois, et le
Large Hadron Collider (LHC) au CERN. Si ces
programmes aboutissent ils devraient boucler,
pour linstant, le problème de lorigine de la
masse des particules.
65

• Interaction Électrofaible
• Nous avons vu que les quarks et les leptons
  interagissent suivant linteraction faible.
• Comme les quarks, leptons et bosons peuvent
  porter des charges électriques, ils peuvent donc
  interagir également suivant la force
  électromagnétique.
• Doù lidée dune interaction unifiée
  électromagnétique et nucléaire faible dite
  Électrofaible
• Modèle de lunification Électrofaible
• Glashow Salam Weinberg

• Dans le Modèle Standard le photon et les bosons W
  et Z représentent des interactions spécifiques,
  reflets des propriétés de symétrie de la physique
  des particules.
• Cette symétrie est rompue par linteraction avec
  un champ supplémentaire, champ de Higgs, qui
  donne au bosons W et Z une masse.
• W mass 80 GeV
• Z mass 91 GeV

66
A key prediction of the Glashow-Weinberg-Salam
model was the existence of weak interactions
mediated by the Z0, a neutral vector boson.
En 1973 découverte au CERN dun faible courant
neutre dans linteraction de diffusion entre
neutrino ?µ et électrons e-. Considérée comme une
mise en évidence indirecte du boson Z
En 1983 première observation directe au CERN
des bosons W et Z (collisionneur pp)
Chambre à bulles Gargamelle
67
(No Transcript)
68
(No Transcript)
69
(No Transcript)
70
Fermilab particle accelerator in Illinois
71
Quatre ? Trois ? Deux ? Une force ??
72
(No Transcript)
73
HIGGS
Le boson de Higgs, sil existe, est une particule
très particulière qui interagit avec le vide pour
donner aux particules leur masse, y compris à
lui-même. Le processus dinteraction peut être
décrit de la manière suivante - le vide, qui
nest pas ce que lon pourrait penser, porte une
charge dite électrofaible (O) - les particules
du modèle standard interagissent avec cette
charge pour acquérir une masse. Lintroduction de
cette nouvelle particule pose un problème
fondamental dans le modèle standard qui dans son
unité présente un haut degré de symétrie. Ce
problème est dit Rupture de Symétrie et doit
conduire à un autre type de symétrie dit
Supersymétrie (SUSY).
74
(No Transcript)
75
The History of Everything
76
(No Transcript)