La Physique des Particules

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La Physique des Particules Élémentaires

• Une invitation au voyage...

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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

• En guise dintroduction 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

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La quête du fondamental

• Depuis la nuit des temps, lhomme 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.)

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La quête du fondamental

• 19ème siècle latome
• 1911 latome a une structure interne, il est
  composé dun noyau, délectrons et de vide!
• 1930 le noyau est lui-même composé de protons et
  de neutrons
• 1969 le proton, le neutron et beaucoup dautres
  particules sont composés de quarks
• Aujourdhui la quête continue!

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Des réponses pour des questions simples

• Depuis le début des années 70, les physiciens
  des particules ont synthétisé toutes leurs
  connaissances au sein dun modèle unique le
   Modèle Standard 

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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 dautres particules
• Ils portent une charge électrique fractionnaire
• On en connaît à lheure actuelle 6  saveurs 
  différentes
• Chacun peut exister en trois  couleurs  rouge,
  vert ou bleu
• Ils ne sobservent jamais seuls, ils se
  regroupent en particules  blanches  nommées
  hadrons. On distingue les  baryons  (3 quarks)
  et les  mésons  (quarkantiquark)

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De  quoi  le monde est-il fait ?

• De leptons
• Il existe 6 leptons différents lélectron et ses
  deux jumeaux (le muon et le tau) ainsi que 3
  neutrinos
• Ces particules portent des charges entières et
  nont pas de  couleur 
• Les neutrinos sont des particules  fantômes 
  qui interagissent très peu et qui ont une masse
  probablement très faible

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Aparté lénergie en physique des particules

• Lunité dénergie utilisée par les physiciens de
  particules est  lélectron-volt 
• 1 eV 1,6 10-19 J
• 100 TeV 100 1012 eV Énergie dépensée par un
  moustique pour sélever de 1m!
• Emc2, on exprime donc la masse des particules
  élémentaires en E/c2, soit en keV/c2, en MeV/c2
  et en GeV/c2
• Masse dun neutrino (' 0.1 eV) par rapport à la
  masse du quark top (' 180 GeV) , masse dun grain
  de pollen par rapport à la masse dun
  porte-avions!

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De  quoi  le monde est-il fait ?

• De matière et dantimatière!
• Chaque particule de matière possède un double de
  même masse mais de charge opposée cest
  lantimatière
• Lorsquune particule rencontre son antiparticule,
  elles sannihilent en pure énergie
• De cette énergie peuvent à nouveau émerger
  dautres particules grâce à la célèbre loi Emc2

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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.

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Aparté la quantité de mouvement en physique des
particules

• La quantité de mouvement dun objet est définie
  comme le produit de sa masse par sa vitesse
• Lorsquune force sapplique à cet objet, sa
  quantité de mouvement varie
• Si aucune force extérieure ne sapplique, la
  quantité de mouvement totale est conservée
• Pour le système hommebateau, on a
• Lors de la désintégration dune particule au
  repos en 2 autres particules, ces dernières
  doivent donc porter des impulsions de sens opposé

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Aparté la quantité de mouvement en physique des
particules

• Les physiciens utilisent souvent des  diagrammes
  de Feynman  pour symboliser léchange dun boson
  intermédiaire entre deux particules élémentaires
• Ce boson  transporte  une certaine quantité de
  mouvement dune particule à lautre (ainsi quune
  certaine quantité dénergie cinétique
  ½(mv2)p2/(2m) )
• Les quantités de mouvement sexpriment en keV/c,
  en MeV/c et en GeV/c

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Comment tout cela  tient -il ensemble ?

• Linteraction électromagnétique
• Théorie unifiée de lélectricité (e.g. des
  charges opposées sattirent) et du magnétisme
  (e.g. une boussole indique le nord)
• Le messager de linteraction électromagnétique
  est le photon, composant fondamental de lumière
  de masse nulle
• Seules les particules chargées sont sensibles à
  cette interaction, sa portée est infinie

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Comment tout cela  tient -il ensemble ?

• Linteraction faible
• Responsable, entre autres, de la désintégration
  du neutron. Cest, comparativement, la plus
  faible des interactions en physique des
  particules
• Les médiateurs de linteraction faible sont les
  bosons Z0, W et W-, ces derniers sont, à
  linverse du photon, très massifs (80-90 GeV)!
• La portée de linteraction faible est très
  limitée (¼ 10-18 m ! )

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Comment tout cela  tient -il ensemble ?

• Linteraction forte
• Elle permet aux protons du noyau (de même charge
  !) de rester  attachés  ensemble
• Les médiateurs de linteraction faible sont
  les gluons de masse nulle
• Seules les particules  colorées  comme les
  quarks et les gluons y sont sensibles

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Comment tout cela  tient -il ensemble ?

• Linteraction forte
• Sa portée est très limitée mais son intensité
  augmente avec la distance
• Quand on tente des séparer un quark et un
  antiquark, linteraction entre eux devient
  tellement importante que de leur énergie de
  liaison peut se transformer en une nouvelle paire
  quark-antiquark

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A quoi cela  sert -il ?
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Et demain ? Les mystères non résolus

• Le boson de Higgs
• Dans le Modèle Standard certaines symétries de la
  théorie interdisent aux bosons intermédiaires
  dacquérir 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, cest le
  boson de Higgs.
• Cette particule reste introuvable pour linstant

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Aparté Quest ce quune  brisure spontanée 
dune symétrie

• Situations symétriques
• Situations où la symétrie est brisée
   explicitement 

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Aparté Quest ce quune  brisure spontanée 
dune symétrie

• A partir dun problème symétrique
• on peut obtenir des solutions qui ne possèdent
  plus la symétrie !

)
)
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Et demain ? Les mystères non résolus

• Pourquoi les particules dune même  famille 
  comme lélectron, le muon et le tau ont-elles des
  masses si différentes ?
• Pourquoi 3  générations  dans chaque famille ?
• Pourquoi lunivers est-il essentiellement composé
  de matière et pas dantimatière
• Les trois interactions fondamentales sont-elles
  réellement différentes ? Sunifient-elles à très
  haute énergie ?

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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 dautres questions qui attendent les
  générations de physiciens à venir !!!

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•  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