Le monde des particules

« 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

1. Plongée au cœur de la matière

2. De quoi le monde est-il fait ?

Les particules

3. Comment tout cela tient-il ensemble ?

Les interactions

4. Perspectives…

1. Plongée au cœur de la matière

La quête du fondamental

• Depuis la nuit des temps, l’homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers

• Fondamental = ???

Structure de l’atome

Structure de l’atome

Electron

Noyau

Interaction électromagnétique

10-10

m

MécaniqueQuantique

Strucure du noyau

10-14

m

Neutron

Proton

Interaction forte

Structure des nucléons

10-15

m

Proton :2 quarks up

1 quark down

Neutron :1 quark up

2 quarks down

Interaction forte

2. De quoi le monde est-il fait?

Les particules

Caractéristiques d’une particule

• Masse m– Energie de masse E=mc2

• Temps de vie τ– Particules stables / instables– Largeur de désintégration Γ=ħ/τ

Caractéristiques d’une particule

Remarque : – L’unité d’énergie en physique des particules

est l’électron-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 s’élever de 1m!

Caractéristiques d’une particule

• Spin S– Lié à la rotation de la particule sur elle-même– Fermions : S=1/2, 3/2, 5/2, …

Principe de Pauli :

Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même état quantique

– Bosons : S=0, 1, 2, …

Caractéristiques d’une particule

• Nombres quantiques– Charge électrique– « Couleur »– …

Particules et antiparticules

A toute particule est associée une antiparticule

• Masse, temps de vie, spin identiques

• Nombres quantiques opposés

Particules élémentaires

On connaît déjà :

Electron

Quark up

Quark down

Particules élémentaires

On connaît déjà :

Photon

Leptons

6 leptons :

Leptons

6 leptons :• électron

Leptons

6 leptons :• électron• muon (τ = 2.10-6 s)

Leptons

6 leptons :• électron• muon (τ = 2.10-6 s)• tau (τ = 3.10-13 s)

Leptons

6 leptons :• électron• muon (τ = 2.10-6 s)• tau (τ = 3.10-13 s)• 3 neutrinos

Leptons

6 leptons :• électron• muon (τ = 2.10-6 s)• tau (τ = 3.10-13 s)• 3 neutrinos

+ 6 anti-leptons

Quarks

6 quarks :

Quarks

6 quarks :• up et down

Quarks

6 quarks :• up et down• charm et strange

Quarks

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

Quarks

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

× 3 couleurs R,B,V

Quarks

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

× 3 couleurs R,B,V

+ 6 anti-quarks

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

Quarks

Ils ne s’observent jamais seuls mais s’associent pour former des particules blanches : les hadrons

• Baryon = association de trois quarks

• Anti-baryon = association de trois anti-quarks• Méson = association d’un quark et d’un anti-quark• Pentaquarks ???

Bosons de jauge

Bosons de jauge

• Photon

Bosons de jauge

• Gluon × 8 couleurs/anti-couleurs

Bosons de jauge

• W-, W+ et Z0

???

3. Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

Quantité de mouvement et énergie

• Mécanique classique :

– Quantité de mouvement

– Energie

Quantité de mouvement et énergie

• Relativité restreinte :– Quantité de mouvement

– Energie

Existence possible de particules de masse nulle!

Interactions fondamentales

• Interaction :

Echange d’énergie et de quantité de mouvement entre deux fermions via un boson de jauge

Diagramme de Feynman

Interactions fondamentales

• Désintégration

• Annihilation / Création

Interaction électromagnétique

• Elle réunit dans un même formalisme– Les phénomènes électriques– Les phénomènes magnétiques– L’optique

• Elle est responsable de la cohésion de l’atome

Interaction électromagnétique

• Au niveau fondamental :Echange de photons entre particules chargées

Portée infinie

e-

e-e-

e-

γ

Interaction forte

• Elle est responsable de la cohésion – des nucléons dans le noyau atomique

– des quarks et anti-quarks dans les hadrons

Interaction forte

• Au niveau fondamental :Echange de gluons entre particules colorées

Portée limitée par le confinement

u (R)

d (R)d (B)

u (B)

g (RB)

Interaction forte

• Hadronisation :

Interaction faible

• Au niveau fondamental : Echange de W-, W+ et Z0

Portée limitée par la masse des bosons de jauge

νe

ud

e-

W+

νe

dd

νe

Z0

Interaction faible

• Désintégration du neutron :

d u

e-

νe

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 l’existence d’une

particule mystérieuse : le boson de Higgs. • Cette particule reste introuvable…

4. Les mystères non résolus…

Les mystères non résolus

• Pourquoi les particules d’une 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 ?

S’unifient-elles à très haute énergie ?• Comment inclure la gravitation dans ce schéma ?

… et bien d’autres questions

qui attendent les générations

de physiciens à venir !!!