marleau.physique des particules
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Introduction Ă la physique
des particules
L. Marleau
Introduction Ă la physique
des particules
L. Marleau
DĂ©partement de physique â UniversitĂ© Laval â QuĂ©bec â Canada
Cet ouvrage a été rédigé avecScientific WorkPlace
et composer avec LATEX 2Δ.© 1997 L. Marleau.DĂ©partement de physiqueUniversitĂ© LavalQuĂ©bec,Canada.Tous droits rĂ©servĂ©s. Aucun extrait de cet ouvrage ne peut ĂȘtre reproduit, sous quelque
forme ou par quelque procĂ©dĂ© que ce soit (machine Ă©lectronique, mĂ©canique, Ă photoco-pier, Ă enregistrer ou tout autre) sans lâautorisation Ă©crite prĂ©alable de lâauteur.
Table des matiĂšres
Avant-Propos xi
1 NOTIONS DE BASE 1
1.1 Survol rapide 1MatiĂšre 1
Les types dâinteraction 4
1.2 DĂ©finitions utiles 4Bosons et fermions 4
Particule-Antiparticule 5
1.3 SystĂšme dâunitĂ©s naturelles 5
1.4 Formalisme quadri-dimensionnel 8
1.5 Notions de physique quantique 11MĂ©canique quantique relativiste 11
Interactions versus champs 12
1.6 Ăchelle des interactions 17Interactions Ă©lectromagnĂ©tiques 17
Interactions faibles 17
Interactions fortes 21
Interactions gravitationnelles 22
Tableau récapitulatif 22
2 SOURCES ET DĂTECTEURS 25
2.1 Sources 25Radioactivité 25
Rayons cosmiques 25
Accélérateurs 26
2.2 Détecteurs 38Principes de détections 38
Instruments de détection 42
vi Table des matiĂšres
3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES 573.1 CinĂ©matique dâune rĂ©action - Variables de Mandelstam 57
SystÚme du centre de masse (4-corps) 59SystÚme du laboratoire (4-corps, cible fixe) 61La rapidité 62
3.2 Les interactions en mécanique quantique 63
3.3 La matrice de diffusion, S 66
3.4 Espace de phase 67
3.5 Section efficace 68Diffusion (4-corps) 71
3.6 Largeur de désintégration et vie moyenne 72Désintégration en 2 corps 73Désintégration en 3 corps 74
4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS 774.1 SymĂ©tries en mĂ©canique quantique 77
4.2 Invariance sous une translation 79
4.3 Rotation en trois dimensions 80
4.4 Parité 81Parité orbitale 82Parité intrinsÚque 83Conservation de la parité totale 83Parité des antiparticules 84Exemples 85
4.5 Inversion du temps 86LâopĂ©rateur dâinversion du temps,T 86Application: le bilan dĂ©taillĂ© 87
4.6 Invariance de jauge 88Transformation de jauge 89Les photons 90
4.7 Contrainte dâunitaritĂ© 91
5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS 935.1 SymĂ©tries globales et rĂšgles de sĂ©lection 93
Charge Ă©lectrique,Q 93Nombre leptonique total,L 94Nombre Ă©lectronique, muonique, tauonique... 94Nombre baryonique,B 95
5.2 Isospin 96Symétrie SU(2) 98
Table des matiĂšres vii
Générateurs de SU(2) 99
Relation de Gell-Mann-Nishijima 99
Conservation dâisospin 100
5.3 ĂtrangetĂ© et hypercharge 101
5.4 Autres saveurs 103Charme 103
Bottom 104
Top 104
Relation de Gell-Mann-Nishijima (révisée) 105
5.5 Conjugaison de la charge 105Parité de charge totale 106
Invariance sousC 107
Les pions et les photons 107
SystĂšmes particule-antiparticule 108
Violation deCP ouT et ThéorÚmeCPT 109
5.6 Parité-G 110
5.7 RĂ©sonances 111
6 LE MODĂLE DES QUARKS 115
6.1 Introduction 115Historique 115
6.2 ThĂ©orie des groupes 118PropriĂ©tĂ©s gĂ©nĂ©rales dâun groupe 118
Groupe de Lie (compact) 119
Représentations 120
Racine, rang et poids 121
Rotation en 2D â groupeSO(2) 123
Rotation en 3D â groupeSO(3) 123
GroupeU(1) 123
GroupeSU(N) 123
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 129Lien entre représentationSU(N) et modÚle des quarks 129
Représentations irréductibles et Tableaux de Young 130
Construction des fonctions dâonde 135
6.4 Couleur 141GroupeSU(3) de Couleur 141
Fonctions dâonde de couleur 142
Ăvidence expĂ©rimentale 143
6.5 Masses et Moments Magnétiques 144Masses 144
© 1997 L. Marleau
viii Table des matiĂšres
Moments magnétiques 147
6.6 Diagrammes de quarks 150
6.7 Charme et SU(4) 152MĂ©sons 152
Baryons 156
7 INTERACTIONS ĂLECTROMAGNĂTIQUES 159
7.1 Diffusion eâN 159
7.2 Le spin 159
7.3 Facteur de forme 159
7.4 Production de paires de muons 160
7.5 SuccĂšs de QED 160
7.6 Invariance de jauge 160
8 INTERACTIONS FAIBLES 161
8.1 Classification 161
8.2 Théorie de Fermi 161
8.3 Non conservation de la parité 161
8.4 Interaction V âA 162
8.5 ModĂšle de Weinberg-Salam (survol) 162
8.6 Angle de Cabbibo et matrice de Kobayashi-Maskawa 162
8.7 Courants neutres 162
8.8 ModĂšle GIM et le charme 162
8.9 Observation du Z0 et des W± 163
8.10 Physique du K0 163
8.11 Violation de CP 163
9 INTERACTIONS FORTES (QCD) 165
9.1 Couleur 165GroupeSU(3) de Couleur 165
Fonctions dâonde de couleur 166
Liberté asymptotique 167
Ăvidence expĂ©rimentale 167
9.2 Interactions 168Interactions faibles 168
Avant-Propos ix
Interactions Fortes 169
9.3 ModĂšle des partons 169
9.4 Diffusion inélastique profonde de eN 169
9.5 Invariance dâĂ©chelle et partons 170
9.6 Diffusion inélastique profonde avec neutrinos 170
9.7 Diffusion lepton-quark 170
9.8 Collisions hadron-hadron 170
10 UNIFICATION DES FORCES 17310.1 Divergences et renormalisabilité 174
10.2 Bosons intermédiaires 174
10.3 Théorie de jauge non-abélienne 174
10.4 Interactions Ă©lectrofaibles 174
10.5 Grande unification 174
10.6 Autres extensions du modĂšle standard 175
A Notation, conventions, constantes... 177A.1 Notations 177
A.2 Constantes fondamentales en physique 177
A.3 Unités SI 180
A.4 Unités naturelles 181
A.5 Coefficients de Clebsh-Gordan 183
A.6 Références 184
B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste 185B.1 La relativité restreinte 185
B.2 Cinématique relativiste 187
C Ăquation de Dirac 195
D Particules stables, collisionneurs,... 197
Index 199
© 1997 L. Marleau
Avant-ProposCet ouvrage contient lâessentiel du matĂ©riel couvert dans le cadre du cours dePhysiquedes particules (PHY-10518)offert aux Ă©tudiants de derniĂšre annĂ©e du B.Sc. au DĂ©parte-ment de physique de lâUniversitĂ© Laval. Il requiert des notions Ă©lĂ©mentaires de relativitĂ©restreinte et de mĂ©canique quantique.Les chapitres 1, 2 et 3 portent respectivement sur les notions de base, les techniques expĂ©-rimentales et sur la dynamique des collisions. Les chapitres 4 et 5 couvrent les symĂ©trieset lois de conservation observĂ©es alors que dans le chapitre 6 on introduit le modĂšle desquarks. Les interactions Ă©lectromagnĂ©tiques, faibles et fortes sont traitĂ©es aux chapitres7, 8 et 9. On termine par un survol des diffĂ©rentes tentatives dâunification ou dâextensiondu ModĂšle Standard. Les appendices contiennent un rĂ©sumĂ© des notations, des tables depropriĂ©tĂ©s, un aide-mĂ©moire et quelques rĂ©fĂ©rences complĂ©mentaires.
Avertissement: Ces notes sont ne sont quâune version partielle et prĂ©liminaire delâouvrage. Il peut sâĂȘtre glissĂ© â câest mĂȘme une certitude â par inadvertance une mul-titude de coquilles plus ou moins importantes. Je saurais grĂ© au lecteur de mâaccordersa patience et sa comprĂ©hension Ă cet Ă©gard et lâinvite Ă me communiquer ses commen-taires et suggestions.
Dâautre part, certaines illustrations (notamment dans la section sur les accĂ©lĂ©rateurset dĂ©tecteurs) proviennent de pages HTML. Au meilleur de ma connaissance, ces illust-rations sont du domaine public et leur provenance est en gĂ©nĂ©ral trĂšs bien identifiĂ©e.. Jenâen tiens pas moins Ă exprimer ma reconnaissance aux institutions concernĂ©es.
QuébecMai 1997
Luc MarleauDĂ©partement de Physique
Université Laval
© 1997 L. Marleau
1 NOTIONS DE BASE
1.1 Survol rapide
MatiĂšre
La description de la matiĂšre a depuis toujours intriguĂ© lâhumanitĂ©. Vu lâimmense di-versitĂ© des formes que prend la matiĂšre Ă lâĂ©chelle humaine, il est tentant de penser quâĂ une Ă©chelle plus petite, elle existe sous une forme plus fondamentale voire plus simple.Ă tors ou Ă raison, lâapproche scientifique sâest laissĂ©e guider par ce concept en espĂ©rantquâune fois lesbriques fondamentalesobtenues, il serait possible de reconstruire lâĂ©di-fice jusquâĂ notre Ă©chelle et mĂȘme au-delĂ . Dans les faits, une telle reconstruction nousĂ©chappe encore...
La premiĂšre notion dâĂ©lĂ©ments fondamentaux nous vient des grecs. On pensait quela Nature Ă©tait composĂ©e de quatre Ă©lĂ©ments: lâair, le feu, lâeau et la terre (voir figure1.1).
Figure 1.1 Les quatre éléments fondamentaux de la Nature (selon les grecs).
2 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
Ces Ă©lĂ©ments (toujours chez les grecs) furent ultĂ©rieurement remplacĂ©s par une notionqui semblent simplificatrice de la Nature, celle de lâatome. Au dĂ©but de notre siĂšcle, sâestdĂ©veloppĂ©e une version moderne de lâatome qui est reprĂ©sentĂ©e de façon simplifiĂ©e Ă lafigure 1.2.
Ăchelle Ăchelle en unitĂ©s datome
noyau
nucléon
Ă©lectronquark
10 m-10
-14
-15
-18
10 m
10 m
< 10 m
10 m
-18
100,000,000
10,000
1,000
< 1
Figure 1.2 Ăchelles subatomiques.
Il faut toutefois mentionner que cette approche nâa pas toujours fait lâunanimitĂ©. Laphilosophie arabe suggĂ©rait que les propriĂ©tĂ©s dâun objet devaient ĂȘtre dĂ©crites globale-ment et non Ă partir de ses constituants. Malheureusement, cette approche sâest avĂ©rĂ©eĂȘtre un trop grand obstacle au progrĂšs scientifique. Notre perception de la matiĂšre rĂ©vĂšleune structure passablement riche dont voici une description sommaire.
LeptonsLes leptons (ainsi nommés parce que leurs masses étaient relativement petites) sont
caractérisés par les propriétés suivantes:
1. Ce sont des particules qui nâinteragissent pas fortement (aucuneinteraction forte).
2. Ils ont des charges Ă©lectriques entiĂšres (multiples de la charge de lâĂ©lectron).
3. Ils possĂšdent une charge ââfaibleââ et forment des doublets dâinteraction faible.
4. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (fermions)
Les trois familles ou générations de leptons connues:
Leptons(
Îœee
) (
Μ””
) (
ÎœÏÏ
)
Hadrons:Les hadrons sont caractérisés par les propriétés suivantes:
1.1 Survol rapide 3
1. Ce sont des particules qui interagissent fortement (soumises Ă lâinteraction forte âârĂ©-siduelleââ).
2. Ils ont des charges Ă©lectriques entiĂšre (multiple de la charge de lâĂ©lectron).
3. Ils ont des interactions faibles.
4. Ils sont formés de quarks.
Les hadrons ne sont pas des particules fondamentales, mais plutĂŽt des Ă©tats liĂ©s dequarks. On en observe plus de deux cents. Les hadrons peuvent eux-mĂȘmes ĂȘtre classifiĂ©sen deux groupes: les baryons, auxquels on associe un nombre quantique (le nombrebaryonique) et, les mĂ©sons, qui sont responsables des interactions fortes entre hadrons.Voici les hadrons les plus frĂ©quemment observĂ©s:
Hadrons
p protonn neutron
Ï+, Ï0, Ï+ pionsÏ+, Ï0, Ïâ mĂ©sonsÏ
Î lambdaK+,K0, K0,Kâ mĂ©sonsK
Une liste plus exhaustive se trouve en appendice.
Quarks:
Les quarks sont les particules fondamentales qui forment la matiÚre nucléaire.
1. Ce sont des particules qui interagissent fortement (soumises Ă lâinteraction forte)
2. Ils ont des charges Ă©lectriques fractionnaires.
3. Ils possĂšdent une charge faible et forment des doublets dâinteraction faible.
4. Ils possĂšde une charge colorĂ© (couleur) et forment des triplets dâinteraction forte.
5. On a observé six espÚces (saveurs ou parfums) de quarks regroupés en trois familles:
Quarks
Q = 23
Q = â13
(
u(up)d(down)
) (
c(charme)s(Ă©trange)
) (
t(top)b(bottom)
)
Les quarks apparaissent au moins en six parfums (lâexistence du quark top a Ă©tĂ©confirmĂ© en 1995). Comme les leptons, ils peuvent ĂȘtre regroupĂ©s en doublets qui sontdes copies conformes sauf pour ce qui est de leurs masses.
De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées;il en existe trois de chaque.
© 1997 L. Marleau
4 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
Les types dâinteraction
Lâinteraction entre particules de matiĂšre se fait via lâĂ©change de particules (e.g. bo-sons de jauge) qui portent les quanta dâĂ©nergie-impulsion de quatre types dâinteractions(gravitationnelle, faible, Ă©lectromagnĂ©tique et fortes).
MĂ©sons (interactions)
photon Îł3 bosons faibles Z0,W
±
8 gluons gHiggs (non-observĂ©) Hgraviton h”Μ
(1.1)
Le graviton et le Higgs nâont jamais Ă©tĂ© observĂ©s. On recherche le Higgs activement.Par des moyens indirects on estime aujourdâhui sa masse Ă environ 350 GeV (cet estimĂ©change frĂ©quemment et pourrait dĂ©jĂ ĂȘtre obsolĂšte). Il existe toutefois plusieurs scĂ©na-rios qui ne requiĂšrent pas de Higgs; son existence reste pour le moment une questionouverte. Par ailleurs, dâautres modĂšles proposent plusieurs Higgs. Le graviton quant Ă luinâexiste que dans le cadre de thĂ©ories quantiques de la gravitation. Cependant aucune deces thĂ©ories nâest entiĂšrement satisfaisante mĂȘme si malgrĂ© certaines sont prometteuses(supergravitĂ©, cordes, supercordes,...).
gravitationnelle
électromagnétique
forte
q q
faible
n ΜΜΜΜp
e
Figure 1.3 Les quatre forces de la Nature.
1.2 DĂ©finitions utiles
Bosons et fermions
1.3 SystĂšme dâunitĂ©s naturelles 5
Bosons:
Les bosons sont des particules de spin entier(0~, ~, 2~, 3~, ...) qui obĂ©issent Ă lastatistique de Bose-Einstein i.e., un systĂšme de deux particules identiques, notĂ©es 1 et 2,possĂšde une fonction dâonde est symĂ©trique sous lâĂ©change des particules
Ï1ââ2ââ Ï. (1.2)
Fermions:
Les fermions sont des particules de spin12 -entier
(
~
2 ,3~2 , 5~2 , ...
)
qui obĂ©issent Ă lastatistique de Fermi-Dirac i.e., un systĂšme de deux particules identiques, notĂ©es 1 et 2,possĂšde une fonction dâonde est antisymĂ©trique sous lâĂ©change des particules
Ï1ââ2ââ âÏ. (1.3)
Particule-Antiparticule
La notion dâantiparticule fut proposĂ©e par Dirac en 1928. Ce dernier interprĂ©ta cer-taines solutions de lâĂ©quation qui porte son nom comme des antiparticules. Les solutionsassociĂ©es aux antiparticules donnent lieu Ă diffĂ©rentes interprĂ©tations, e.g. une particulequi se propage Ă rebours dans le temps ou encore des trous dans une mer de particules.Lâantiparticule est caractĂ©risĂ©e par
1. des charges opposées à celle de la particule (charges électrique, faible, et autres nombresquantiques...)
2. masse et vie moyenne Ă©gales Ă celles des particules.
Lâexistence dâantiparticules fut confirmĂ©e par Anderson en 1933 suite Ă la dĂ©couvertedu positron (anti-Ă©lectron). Certaines particules (e.g. le photonÎł et le boson faibleZ0)sont leur propre antiparticule, toutes leurs charges Ă©tant nulles.
Par convention, on dĂ©signe gĂ©nĂ©ralement lâantiparticule par une barre:
e â eÎœ â Îœp â pÎŁ â ÎŁ.
1.3 SystĂšme dâunitĂ©s naturelles
Le systĂšme dâunitĂ©s SI requiert trois Ă©talons de mesure:
[masse ou Ă©nergie], [temps], [longueur] (1.4)
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6 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
La nature nous fournit deux constantes fondamentales qui sont particuliĂšrement per-tinentes pour des systĂšmes quantiques relativistes:c et~ . Il est donc plusnaturel dâex-primer une vitesse comme une fraction dec, et un moment angulaire comme un multiplede~
Vitesse = fraction decSpin = multiple de~
2
(1.5)
Le systĂšme dâunitĂ©s naturelles consiste Ă prendre comme Ă©talon
~ = c = 1 (1.6)Rappelons que dans le systĂšme SI:
c = 3Ă 108 m · sâ1 (1.7)
~ = 1.054Ă 10â34 J · s= 6.58Ă 10â22 MeV · s (1.8)
Exemple 1.1Exprimons le mÚtre et la seconde en unité naturelle:1 mÚtre:
1 mc~
=1 m
3Ă 108 m · sâ1 · 6.58Ă 10â22 MeV · s
= 5.1Ă 1012 MeVâ1
1 seconde:1 s~
=1 s
6.58Ă 10â22 MeV · s
= 1.52Ă 1021 MeVâ1
On remarque de ces exemples que les unitĂ©s de longueur dans ce systĂšme sâexprimenten inverse dâunitĂ©s dâĂ©nergie
[longueur] = [masse ou Ă©nergie]â1 (1.9)
que les unitĂ©s de temps sâexpriment aussi en inverse dâunitĂ©s dâĂ©nergie
[temps] = [masse ou Ă©nergie]â1. (1.10)
Une quantité dans les unités SI (systÚme international) qui possÚde des dimensions
MpLqT r
oĂčM ,L etT reprĂ©sente les unitĂ©s de masse, longueur et temps respectivement, aura des
1.3 SystĂšme dâunitĂ©s naturelles 7
unitĂ©s dâĂ©nergie Ă la puissancepâ q â r, soitEpâqâr.
SI UNQuantitĂ© p q r nAction 1 2 â1 0Vitesse 0 1 â1 0Masse 1 0 0 1Longueur 0 1 0 â1Temps 0 0 1 â1Impulsion 1 1 â1 1Ănergie 1 2 â2 1Const. structure fineα 0 0 0 0Const. de Fermi 1 5 â2 â2
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8 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
1.4 Formalisme quadri-dimensionnel
La similitude entre les notion de temps et dâespace nous suggĂšre dâadopter un for-malisme quadri-dimensionnel. Par exemple, le vecteur positionx est reprĂ©sentĂ© par sescomposantes contravariantesx” tel que
x” = (x0, x1, x2, x3) = (x0,x). (1.11)
En gĂ©nĂ©ral, dans un espace vectoriel Ă D dimensions, il est possible de choisirDvecteurs de basee” et de reprĂ©senter un vecteurA Ă partir de ses composantes (contra-variantes)A”, parallĂšles auxe”. Alors le vecteurA sâĂ©crit dans un espace Ă 4D
A =3
â
”=0
A”e” = A”e”. (1.12)
Le produit scalairedes vecteursA etB prend la forme
A ·B ⥠A”e” ·BÎœeÎœ = A”BÎœg”Μ (1.13)
oĂčg”Μ ⥠e” · eÎœ (1.14)
est appelĂ© letenseur mĂ©triqueou simplement lamĂ©trique.Il est commun, et plus simplede choisir une base oĂč les vecteurs sontorthogonaux,i.e.
g”Μ = 0 si ” 6= Μ (1.15)
et doncA ·B = A”B”e2”. (1.16)
Pour le cas des quadri-vecteurs dâespace-temps dans lâespace de Minkowski, la longueurgĂ©nĂ©ralisĂ©e dâun vecteur position espace-temps est reliĂ©e Ă lâintervalle, e.g.
x2 = x”x”e2”
= t2 â x2 â y2 â z2. (1.17)
Ainsi la norme des vecteurs de base est
e2” =
â1 si ” = 01 si ” = 1, 2, 3
(1.18)
et le tenseur mĂ©trique sâĂ©crit
g”Μ =
1 0 0 00 â1 0 00 0 â1 00 0 0 â1
. (1.19)
Les composantes covariantes sont des projections orthogonales deA sur les vecteursde basee”. Par exemple,
e” ·A ⥠A” (1.20)(notez lâindice infĂ©rieur) ou autrement dit
A” ⥠e” ·A = e” ·AÎœeÎœ
= g”ΜAΜ
1.4 Formalisme quadri-dimensionnel 9
Ă noter, le tenseur mĂ©triqueg”Μ et son inverseg”Μ coĂŻncident
g”Μ = g”Μ (1.21)
etg”ΜgΜλ = Ύ”λ (1.22)
dâoĂčA” = g”ΜAÎœ (1.23)
etg”Μg”Μ = 4. (1.24)
Par exemple, pour le quadri-vecteur contravariant de position
x” = (x0, x1, x2, x3) = (x0,x). (1.25)
on aura un quadri-vecteur covariant de position:
xΜ = (x0, x1, x2, x3)
= g”Μx”
=
1 0 0 00 â1 0 00 0 â1 00 0 0 â1
x0
x1
x2
x3
= (x0,âx1,âx2,âx3) (1.26)
et donc
x” = (x0,x)
x” = (x0,âx). (1.27)
Remarque 1.1
iToute quantité qui a la forme
a · b = a”b” (1.28)est un invariant de Lorentz sia et b sont des vecteurs de Lorentz, câest-Ă -dire que cettequantitĂ© nâest pas affectĂ©e par une transformation de Lorentz et donc a la mĂȘme valeurdans tous les systĂšmes de rĂ©fĂ©rence inertiels.
Les notions dâĂ©nergie et dâimpulsion sont aussi intimement liĂ©es (tout comme lâes-pace et le temps) en relativitĂ© restreinte. On peut dĂ©finir le quadri-vecteur Ă©nergie-impulsion(composantes contravariantes)
p” = (E,px, py, pz) (1.29)
oĂčE est lâĂ©nergie totale etpi (i = x, y, z ou1, 2, 3) sont les impulsions. LâĂ©nergie cinĂ©-tique sâobtient par
K = E âm0
= (Îł â 1)m0. (1.30)
(rappelons quâon utilise le systĂšme dâunitĂ©s naturelles).Par ailleurs, lagrandeurdep est un invariant de Lorentz et sâĂ©crit comme
p2 = gαÎČpαpÎČ
=(
p0)2 â
(
p1)2 â
(
p2)2 â
(
p3)2
© 1997 L. Marleau
10 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
= E2 â p2
= m20. (1.31)
On a donc finalementE2 â p2 = m2
0 (1.32)ou
E2 = p2 +m20 (1.33)
Les relations de conservation dâĂ©nergie et dâimpulsion peuvent maintenant ĂȘtre ex-primĂ©e de façon compacte. LâĂ©nergie-impulsion totale dâun systĂšme est la somme
P” =â
n
p”n. (1.34)
Si on pose quâil y a conservation dâĂ©nergie et dâimpulsion, on a
P”avant= P”
aprĂšs; (1.35)
et il en découle queP i
avant= P iaprĂšs ou Pavant= PaprĂšs, (1.36)
ce qui reprĂ©sente la conservation de lâimpulsion totale et
P 0avant= P 0
aprĂšs, (1.37)
la conservation de lâĂ©nergie totale, qui sâĂ©crit aussi comme
Etotavant= E tot
aprĂšs. (1.38)
On peut aussi dĂ©duire une autre relation importante. Dâune part, la quantitĂ©P” (lâĂ©nergie-impulsion totale) est conservĂ©e, et dâautre part, lagrandeurde toute Ă©nergie-impulsion(E2âp2) est un invariant relativiste (mĂȘme grandeur dans tous les repĂšres). Par exemple,dans le repĂšre du laboratoire
(
P”avantLab
)2
=
(
P”aprÚsLab
)2
. (1.39)
Dans un repĂšreSâČ on a(
P”avantLab
)2
=
(
P”aprÚsLab
)2
=
(
P”avantSâČ
)2
=
(
P”aprĂšsSâČ
)2
. (1.40)
Dans le repĂšre dâimpulsion totale nulle (RIN), i.e. le repĂšre oĂč le centre de masse dusystĂšme est au repos, les calculs sont gĂ©nĂ©ralement plus simples. Alors que la derniĂšrerelation tient toujours
(
P”avantLab
)2
=
(
P”aprÚsLab
)2
=
(
P”avantRIN
)2
=
(
P”aprÚsRIN
)2
. (1.41)
on aura dans ce repÚre spécial,(
P”avantRIN
)2
=(
P 0avantRIN
)2
â(
PavantRIN
)2
=(
P 0avantRIN
)2
=(
EtotavantRIN
)2
=
(
â
n
En
)2
. (1.42)
1.5 Notions de physique quantique 11
Cette quantité correspond à la somme des énergies totales dans le RIN, élevée au carré.
1.5 Notions de physique quantique
MĂ©canique quantique relativiste
Le passage de la mĂ©canique quantique Ă la mĂ©canique quantique relativiste a Ă©tĂ©historiquement basĂ© sur une gĂ©nĂ©ralisation de lâĂ©quation de Schrödinger Ă un systĂšmerelativiste.
LâĂ©quation dâonde de Schrödinger
Rappelons que lâĂ©quation dâonde de Schrödinger est obtenue en dĂ©finissant lâHamil-tonien (Ă©nergie) et lâimpulsion par les opĂ©rateurs diffĂ©rentiels suivant:
H ⥠i~â
ât(1.43)
p âĄ(âi~
â
âx,âi~
â
ây,âi~
â
âz
)= âi~â (1.44)
Dans le langage quadri-dimensionnel, on Ă©crit (~ = c = 1)
p” =
(i~
â
ât,âi~â
)= i~
â
âx”= i
â
âx”. (1.45)
La notation est souvent simplifiée par
p” ⥠iâ”. (1.46)
LâĂ©quation de mouvementp2
2m+ V = E (1.47)
devient alors lâĂ©quation de Schrödinger
(âi~â)2 Ï + V Ï = i~âÏ
ât(1.48)
â ~2
2mâ
2Ï + V Ï = i~âÏ
ât= EÏ (1.49)
(1.50)
oĂčÏ est la fonction dâonde du systĂšme.
LâĂ©quation de Klein-Gordon
Les équations de mouvement relativistes obéissent plutÎt à la relation(~ = c = 1)
p”p” = E2 â p2 = m2 (1.51)
© 1997 L. Marleau
12 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
qui correspond, aprĂšs substitution des quantitĂ©s par leur reprĂ©sentation en terme dâopĂ©-rateurs, Ă lâĂ©quation de Klein-Gordon
(i~
â
ât
)2
Ï â (âi~â)2Ï = m2Ï
ââ2Ï
ât2+â
2Ï = m2Ï
ou encore
0 = â(â â2
ât2+â
2
)Ï +m2Ï = 0
=(ââ”â
” âm2)Ï
=(p2 âm2
)Ï
Cette équation décrit les bosons (spin entier). Elle est toutefois non-linéaire en énergieE. Incidemment, les états ne se combinent pas en général de façon triviale.
LâĂ©quation de DiracDans une tentative visant Ă linĂ©ariser cette Ă©quation (et Ă rĂ©gler certains autres pro-
blĂšmes conceptuels comme des densitĂ©s probabilitĂ© nĂ©gatives), Dirac introduit un systĂšmelinĂ©aire de quatre Ă©quations couplĂ©es, lâĂ©quation de Dirac. Voici sa version la plus cou-rante que nous Ă©crivons sans beaucoup plus dâinformations
(iγ”â
” âm)Ï = 0. (1.52)
oĂč lespineurÏ possĂšde quatre composantes et lesγ” (” = 0, 1, 2, 3) sont les quatre mat-rices4Ă4de Dirac. Les matricesγ” intĂšgre la notion de spin puisque quâelle correspondeĂ une version gĂ©nĂ©ralisĂ©e des matrices de spin de Pauli. Pour cette raison, lâĂ©quation deDirac convient Ă la description des fermions (spin demi-entier). Une description plusdĂ©taillĂ©e de lâĂ©quation de Diracse trouve en Appendice.
La théorie quantique des champsLa théorie quantique des champs est depuis quelques années considérée comme un
outil plus fondamental et plus puissant que la mĂ©canique quantique. Sans trop aller dansles dĂ©tails, mentionnons quâelle est basĂ©e sur la seconde quantification des champs, câest-Ă -dire sur les relations de commutation ou dâanticommutation des opĂ©rateurs de crĂ©ationet dâannihilation (champs quantiques).
La thĂ©orie permet dâinterprĂ©ter chaque phĂ©nomĂšne comme une sĂ©rie dâopĂ©rateursagissant sur le vide, e.g. crĂ©ation de particule (opĂ©rateur de crĂ©ation), interaction entreparticules (opĂ©rateur de sommet) et Ă©change ou propagation de particules (propagateur).
Interactions versus champs
La mĂ©canique classique et la mĂ©canique quantique (ou plus prĂ©cisĂ©ment la thĂ©oriequantique des champs) ont des approches diffĂ©rentes lorsquâil sâagit de dĂ©crire des inter-actions (voir figure 1.4).
1.5 Notions de physique quantique 13
Q Q 21E F
r
Q1 2Q
q
(b)(a)
Figure 1.4 Approche classique (a) et quantique (b) des interactions.
© 1997 L. Marleau
14 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
1. En mécanique classique:Un champ est produit par une particule 1 à la position de la particule 2. La particule2 interagßt avec la valeur de ce champ.
2. En mĂ©canique quantique:Lâinteraction est interprĂ©tĂ©e comme un Ă©change de quanta. LâĂ©change obĂ©it aux lois deconservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. Rappelons cependantque la quadri-impulsion nâobĂ©it Ă lâĂ©quation dâonde que dans les limites du principedâincertitude, câest-Ă -dire
âE ·ât â„ 1, ~ = 1. (1.53)
Les états transitoires sont appelésvirtuels (e.g. un photon virtuel peut avoir unequadri-impulsion telle quep2
= 0).
Approche de YukawaEn 1935, H. Yukawa propose une connexion entre la portĂ©e dâune interaction et la
masse du quantum Ă©changĂ© pendant lâinteraction. Il sâintĂ©resse plus particuliĂšrement Ă dĂ©crire les interactions fortes qui ont une portĂ©e finie de quelques fm. Par exemple, lâĂ©-change virtuel dâun boson de massem peut se produire pendant un temps
ât â 1
âEâ 1
m. (1.54)
Il est donc caractérisé par une porté maximale de (c = 1)
R = cât = ât â 1
m. (1.55)
Ce rĂ©sultat peut ĂȘtre dĂ©duit plus formellement de lâĂ©quation de Klein-Gordon
â2Ï +m2Ï â â2Ï
ât2= 0.
ConsidĂ©rons une composante deÏ statique Ă symĂ©trie sphĂ©riqueÏ(x”) = U(r). On peutalors Ă©crire
0 = â2U(r) +m2U(r)
=1
r2â
âr
(r2
â
ârU(r)
)+m2U(r)
oĂč r = 0 est identifiĂ© Ă lâorigine. La composante radiale de la fonction dâonde a poursolution
U(r) =g
4Ïreâ
rR , r > 0 (1.56)
oĂč
R =1
m: portée des interactions
g = constante dâintĂ©gration.
Exemple 1.2
1.5 Notions de physique quantique 15
Interaction Ă©lectromagnĂ©tique.Le photon est le quantum dâĂ©change dans une interaction Ă©lectromagnĂ©tique mais la masse duphoton Ă©tant nulle
â2U(r) = 0, r > 0 (1.57)
dâoĂč
U(r) =g
4Ïr=
Q
4Ïr. (1.58)
Si on interprĂšteU(r) comme le potentiel Ă©lectrostatique alorsQ est la charge Ă©lectrique Ă uneconstante multiplicative prĂšs.
Doncg, la constante dâintĂ©gration, joue le rĂŽle de charge. La portĂ©e des interactionnuclĂ©aire fortes est deR â 10â15 m, ce qui poussa Yukawa Ă prĂ©dire une particuledâĂ©change de massem = 1
R â 100 MeV et sans spin pour les interactions fortes. En1947, le pion (spin 0,m = 140 MeV) fut dĂ©couvert.
Lâapproche de Yukawa est toutefois trop naĂŻve pour expliquer le reste des phĂ©nomĂšnesforts de façon adĂ©quate.
Propagateur du boson
Il est appropriĂ© de dĂ©crire une collision entre deux particules en terme dâamplitudesde probabilitĂ©. Lâapproche perturbative de la thĂ©orie des champs suppose que les par-ticules se propagent librement sauf en certains points oĂč il y a Ă©mission ou absorptionde quanta. Il sâagit dâĂ©crire la solution des Ă©quations de mouvement couplĂ©es commeune sĂ©rie perturbative autour des solutions libres des Ă©quations de mouvement pour deschamps quantiques libres (aucun potentiel dâinteraction implique des solutions libres).La mĂ©thode utilise les fonctions de Green auxquelles R.P. Feynman a donnĂ© son inter-prĂ©tation probabiliste des amplitudes.
LâĂ©quations de mouvement dâun boson libre (Ă©quations de Klein-Gordon) sont(p2 âm2
)Ï (p) = 0 (1.59)
oĂčÏ(p) est une fonction scalaire. La fonction de GreenG(p), dans lâespace des impul-sions, obĂ©it Ă (
p2 âm2)G (p) = ÎŽ4 (p) (1.60)
ou encore
G (p) =ÎŽ4 (p)
(p2 âm2). (1.61)
avec la fonction de DiracΎ4 (p)définie commeΎ4 (p) = Ύ (p0) Ύ (p1) Ύ (p2) Ύ (p3). Feyn-man interprÚte cet opérateur comme une amplitude de probabilité que le boson se propageavec une quadri-impulsionp
Propagateur=i
p2 âm2. (1.62)
De la mĂȘme façon, Feynman dĂ©finit une amplitude de probabilitĂ© que le boson soit Ă©mispar la particule 1 (et/ou absorbĂ© par la particule 2). Comme la grandeur de cette amplitudeest proportionnelle Ă la force de lâinteraction, elle dĂ©pend directement de la constante decouplage
Sommet= g1 (etg2). (1.63)Cette interprétation a permis de développer une méthode graphique simple pour calculerla probabilité de certains processus: lesrÚgles et diagrammes de Feynman.
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16 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
g 2
p
g 1
Figure 1.5 Exemple de diagramme de Feynman.
1.6 Ăchelle des interactions 17
Exemple 1.3Lâinteraction Ă©lectromagnĂ©tique entre deux particules chargĂ©es via lâĂ©change dâun boson (voir fi-gure1.5) est donnĂ©e par le produit des amplitudes (sommets de couplageg1 (etg2) et propaga-teur):
Amplitudeâg1g2
p2 âm2(1.64)
ProbabilitĂ©â
âŁâŁâŁâŁg1g2
p2 âm2
âŁâŁâŁâŁ2
. (1.65)
En QED, la masse du photon est nulle et le couplage est proportionnel à la chargee. La sectionefficace pour la collision de particules chargées est
d2Ï
dp2â
âŁâŁâŁâŁe2
p2
âŁâŁâŁâŁ2
=e4
p4, (1.66)
un rĂ©sultat qui a aussi Ă©tĂ© obtenu par Rutherford Ă lâaide de mĂ©thodes plus rudimentaires.
1.6 Ăchelle des interactions
Interactions électromagnétiques
La force du couplage (aux sommets) est déterminé par la constante adimensionnelle
αem =e2
4Ï~c=
e2
4Ï=
1
137.0360(1.67)
Par exemple, la formule de Rutherford (Ă©q. (1.66)) pourrait sâexprimer comme
d2Ï
dp2â α2
em
p4. (1.68)
Les interactions électromagnétiques (voir figure 1.7) sont alors caractérisées par lespropriétés suivantes:
â mettent en jeu des particules chargĂ©es Ă©lectriquement;â couplage Ă©lectromagnĂ©tique:αem = e2
4Ï = 1137.0360 ;
â temps dâinteraction et/ou vie moyenne typique de⌠10â20 s;â section efficace typique de⌠10â44 m;â Ă©change de photons (Îł);â mÎł = 0, donc portĂ©eR = â.
Interactions faibles
Les principales manifestations des interactions faibles sont:
1. La dĂ©sintĂ©grationÎČ du neutron, e.g.n â p+ eâ + Îœe.
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18 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
e
Îł
-
e- e -
e -
e -
e -
Îł
e -
e -
Ze
Îł
Îł
(a) (b) (c)
(d)
++ + ...
Figure 1.6
e
Îł
-
e- e -
e -
e -
e -
Îł
e -
e -
Ze
Îł
Îł
(a) (b) (c)
(d)
++ + ...
Figure 1.7 Exemples dâinteractions Ă©lectromagnĂ©tiques: (a) effet photoĂ©lectrique, (b) diffusion de
Rutherford, (c) rayonnement de freinage et (d) diagrammes Ă plusieurs boucles pour la self-Ă©nergie.
1.6 Ăchelle des interactions 19
2. La capture dâantineutrinos, e.g.p+ Îœe â n+ e+.
3. Les réactions hadroniques pures, e.g. la désintégration desΣ peut passer par le modefaible ou le mode électromagnétique mais les caractéristiques diffÚrent suivant lemode de désintégration:
int. faibles int. e.m.ÎŁâ â n+ Ïïžž ïž·ïž· ïžž ÎŁ0 â Î+ Îłïžž ïž·ïž· ïžžâS = 1 âS = 0
Ï â 10â10 s Ï â 10â19 s
oĂčâS est le changement du nombre quantique dâĂ©trangetĂ© etÏ est la vie moyenneou durĂ©e des interactions.
d
dun
d
uu
eWq
eΜ
(a)
uu u
d
dd
W
eΜ e
(b)
p
p n
Figure 1.8 Exemples dâinteraction faibles: (a) dĂ©sintĂ©gration du neutron et (b) capture de neutrinos.
Le contenu en quark du proton et du neutron (uudet ddu respectivement) est illustré clairement.
Les interactions faibles (voir figure 1.8) sont alors caractérisés par les propriétés sui-vantes:
â mettent en jeu des neutrinos ou des quarksqui changent de parfum i.e. des particules ayant unecharge faible;
â couplage faible(entre protons):αFermi =GFm2
p
4Ï â 10â6;â temps dâinteraction et/ou vie moyenne typique de⌠10â10 s;â section efficace de⌠10â33 m;â Ă©change de bosonsW± (courants chargĂ©s)etZ0 (courant neutre);â mW = 80 GeV, donc portĂ©eR = 10â18 m.
Les interactions faibles sont dĂ©crites par le modĂšle de Glashow-Weinberg-Salam (1967)et mettent en jeu un couplage faiblegW et lâĂ©change des bosons de jaugeW± etZ0. LesrĂ©actions faibles sont caractĂ©risĂ©es par une amplitude de probabilitĂ© de la forme
Amplitudeâ g2Wq2 âM2
W,Z
. (1.69)
oĂč q2 est le transfert de quadri-impulsion portĂ© dans lâĂ©change du quantum. Dansla limite q2 â 0, la thĂ©orie de Glashow-Weinberg-Salam se ramĂšne Ă la thĂ©orie desinteractions faibles de Fermi (1935) oĂč les interactions impliquant quatre particules sont
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20 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
(a) (b)
W
GF
Figure 1.9 Théorie de Weinberg-Salam versus théorie de Fermi.
1.6 Ăchelle des interactions 21
ponctuelles et de forceGF , la constante de Fermi (voir figure 1.9).
Amplitude â g2Wq2 âM2
W,Z
(1.70)
ââq2â0
g2WM2
W
⥠GFâŒ= 10â5 GeVâ2. (1.71)
Ă lâinstar de la thĂ©orie de Fermi, le modĂšle de Glashow-Weinberg-Salam a lâavantagedâĂȘtrerenormalisable. Câest aussi est exemple dâunification de forces (faible et e.m.).
Interactions fortes
Les interactions fortes sont fréquentes dans les collisions de hadrons à haute énergie.Elles impliquent, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On lesretrouve par exemple dans la collision
Kâ + p â ÎŁ0
dont la durĂ©e est dâenvironÏ â 10â23 s.
u u
uu
R
R B
B
gluon RB
Figure 1.10 Exemple de diagramme de Feynman pour une interaction forte entre quarks.
Les interactions fortes (voir figure 1.10) sont caractérisées par les propriétés sui-vantes:
â mettent en jeu des particules portant une chargecolorĂ©e (quarks et/ou gluons);â couplage trĂšs fort:αs â 1;â temps dâinteraction et/ou vie moyenne typique de⌠10â23 s;â section efficace typique de⌠10â30 m;â Ă©change de gluons;â confinement des quarks et gluons;â libertĂ© asymptotique;â portĂ©e effective deR = 10â15 m en raison du confinement;
Interactions fortes résiduelles
Les interactions fortes rĂ©siduelles se situent Ă lâĂ©chelle nuclĂ©aire. Il sâagit de forcesefficaces entre hadrons qui persistent malgrĂ© le confinement des quarks et des gluons.Elles sont responsables de la cohĂ©sion des noyaux et se manifestent dans les collisions
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22 Chapitre 1 NOTIONS DE BASE
hadroniques Ă basses Ă©nergies. La portĂ©e des interactions efficaces est finie ce qui corres-pond, selon lâapproche de Yukawa, Ă des masses non-nulles pour les bosons dâĂ©change,les mĂ©sons (voir figure 1.11).
p n
pn
Ï +
Figure 1.11 Exemple dâinteractions fortes rĂ©siduelles.
Interactions gravitationnelles
Il nâexiste pas actuellement une thĂ©orie quantique gravitationnelle satisfaisante bienque la supergravitĂ©, les cordes ou les supercordes soient des bons candidats. Par contre,une thĂ©orie quantique gravitationnelle devrait possĂ©der les caractĂ©ristiques suivantes:
â impliquent tout ce qui possĂšde une Ă©nergie-masseet qui modifie la mĂ©trique (tenseur Ă©nergie-impulsion);â couplage trĂšs faible: le couplage typique
entre deux protons estαG =Gm2
p
4Ï â 4.6Ă 10â40;â boson dâinteraction de spin 2 correspond Ă unefluctuation quantique de la mĂ©trique: le graviton;â la gravitation ayant une portĂ©e infinie impliqueun graviton de masse nulle.
Tableau récapitulatif
Interactions GravitĂ© ĂlectromagnĂ©tique Faibles FortesĂchange 10 gravitons Photon Z0,W± 8 gluonsSpinParitĂ© 2+ 1â 1â, 1+ 1â
Masse (GeV) 0 0 90, 81 0PortĂ©e (m) â â 10â18 â,†10â15
Source Masse Charge Ă©lec. Charge faible CouleurCouplage 4.6Ă 10â40 1
137 8.1169Ă 10â7 â 1Ï typique(s) 10â20 10â8 10â23
Ï typique (m2) 10â33 10â44 10â30
2.0 23
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2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Le but de ce chapitre est de donner un aperçu des méthodes expérimentales utiliséesen physique des particules.
2.1 Sources
Radioactivité
La radioactivitĂ© provient de la dĂ©sintĂ©gration spontanĂ©e (faible) de noyaux lourds.Elle est caractĂ©risĂ©e par lâĂ©mission dâune ou plusieurs des particules lĂ©gĂšres suivantes
eâ, e+, p, n etα(He++)
dont les Ă©nergies sont de lâordre de grandeur des Ă©nergies de liaison nuclĂ©aire (environ10 MeV).
Rayons cosmiques
Les rayons cosmiques sont des particules trĂšs stables (principalement des protons, desneutrons et des photons) qui se propagent Ă des distances astronomiques avantdâentrerdans lâatmosphĂšre terrestre. DĂšs lors, ils interagissent avec les particules qui sây trou-vent et peuvent gĂ©nĂ©rer une multitude de sous-produits. Cette source a le dĂ©savantagedâĂȘtre incontrĂŽlable. En effet, on ne connaĂźt a priori ni la nature, ni lâĂ©nergie, ni la tra-jectoire de la particule. De plus, les rayons cosmiques sont absorbĂ©s par lâatmosphĂšre desorte que seulement une fraction de ceux-ci arrive jusquâĂ la surface de la Terre. Par ail-leurs, lâĂ©nergie des rayons cosmiques est beaucoup plus grande que celle associĂ©e Ă laradioactivitĂ©. On leur identifie deux sources principales: une source stellaire associĂ©eaux basses Ă©nergies et une source galactique caractĂ©risĂ©e par des Ă©nergies pouvant allerjusquâĂ 103 TeV.
26 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Accélérateurs
Outre les sources naturelles, les physiciens des hautes énergies se sont donnés desoutils pour étudier les phénomÚnes subatomiques: les accélérateurs de particules. Cesappareils ont mené à un progrÚs phénoménal notamment en physique des particules enpermettant de sonder la matiÚre à des distance de plus en plus petites.
Ce progrĂšs nâa Ă©tĂ© possible que grĂące Ă un accroissement constant de lâĂ©nergie desparticules projectiles. Cet accroissement rĂ©pond Ă deux objectifs:
1. La production de nouvelles particules finales, ce qui est possible si lâĂ©nergie initialedans le centre de masse est suffisante.
2. Sonder la matiĂšre de plus en plus profondĂ©ment pour dĂ©couvrir des sous-structures,en diminuant la longueur dâonde des particules incidentes (λ = 1
p ) pour obtenir unplus grand pouvoir sĂ©parateur au cours de diffusions Ă hautes Ă©nergies(exemple :diffusion trĂšs inĂ©lastique dâĂ©lectrons trĂšs Ă©nergĂ©tiques sur des protons).
Principe
Une particule de chargeq placée dans les appareillages qui produisent des champsE
etB subira une force (conséquence des équations de Maxwell)
F(t) = qE+ qvĂB. (2.1)Cette relation tient pour des systĂšmes relativistes si on dĂ©finit:
F(t) =dp
dt= m
dx
dt=
d
dtÎłmv = qE+ qvĂB. (2.2)
Dâautre part, le taux de travail accompli sur une particule chargĂ©e ou le gain dâĂ©nergiepar unitĂ© de temps de la particule sâĂ©crit
dW
dt=
dp0dt
= F · v = qE · v.Notons que le champB nâeffectue aucun travail sur la particule. Donc de façon gĂ©nĂ©rale,le champ Ă©lectrique est nĂ©cessaire pour dâaccĂ©lĂ©rer les particules tandis que les champsmagnĂ©tiques sont utilisĂ©s pour contrĂŽler leur trajectoire. Un champ magnĂ©tique perpen-diculaire Ă la vitesse des particules permet de maintenir celles-ci sur une trajectoire cir-culaire si nĂ©cessaire. Des aimants quadripolaires (et quelques fois sextupolaires) tiennentle faisceau de particules chargĂ©es focalisĂ© sinon le faisceau aurait tendance Ă se diffuserĂ©tant formĂ© de particules avec des charges Ă©lectriques de mĂȘme signe.
Accélérateur linéaire (Linacs) :
Dans un tube cylindrique sous vide sont alignĂ©es des Ă©lectrodes cylindriques. On al-terne la paritĂ© Ă©lectrique des Ă©lectrodes en les connectant Ă une source de radio-frĂ©quence(voir figure 2.1). Les particules chargĂ©es sont accĂ©lĂ©rĂ©es pendant leur court passage entredeux Ă©lectrodes successives puisque soumises Ă une diffĂ©rence de potentiel,V . Une foisque les particules sont dans les Ă©lectrodes cylindriques et pendant la durĂ©e de leur tra-jet, il sâopĂšre une inversion de polaritĂ© des Ă©lectrodes avoisinantes si bien quâĂ la sortie
2.1 Sources 27
elles sont soumises Ă la mĂȘme diffĂ©rence de potentiel,V , et sont accĂ©lĂ©rĂ©es dans le mĂȘmesens. Les Ă©lectrodes sont conçues pour que le passage des particules Ă lâintĂ©rieur de cha-cune dâelles ait une durĂ©e correspondant Ă la moitiĂ© de la pĂ©riode de la radio-frĂ©quence.
RF ~Sourced'ions
Figure 2.1 Accélérateur linéaire: Des électrodes avoisinantes sont soumises à une différence de
potentiel oscillant Ă haute frĂ©quence. La longueur de chaque Ă©lectrode est ajustĂ©e pour quâil ait
toujours accélération des particules lors du passage entre deux électrodes.
Cette contrainte est toutefois moins importante pour une particule lĂ©gĂšre puisque dĂšsquâelle atteint une Ă©nergie cinĂ©tique comparable Ă sa masse, sa vitesse sâapproche dec.Elle peut alors ĂȘtre accĂ©lĂ©rĂ©e par une onde Ă©lectromagnĂ©tique produite dans une cavitĂ©rĂ©sonnante. Les particules chargĂ©es, qui sont en gĂ©nĂ©ral accĂ©lĂ©rĂ©es en paquets, se pro-pagent alors en phase avec cette onde. Les accĂ©lĂ©rateurs linĂ©aires Ă Ă©lectrons permettentdâaccĂ©lĂ©rer simultanĂ©ment des positrons en alternant les paquets dâĂ©lectrons et de posit-rons. Les positrons sont accĂ©lĂ©rĂ©s dans le mĂȘme sens puisque soumis Ă une diffĂ©rence depotentiel,âV , Ă leur sortie des Ă©lectrodes. Il est ensuite possible de sĂ©parer les faisceauxĂ la sortie de lâaccĂ©lĂ©rateur grĂące un champ magnĂ©tique.
Le plus grand de ces accélérateurs à électrons est encore celui de Stanford (U.S.A.)qui atteint une énergie de 20 GeV avec une longueur de 3 km. Depuis quelques années, ilsest toutefois utilisé comme injecteur pour un projet plus ambitieux, le SLC. On y sépareles faisceaux électrons-positrons pour les orienter sur des trajectoires distinctes et, touten continuant de les accélérer, on les guide vers une collision face-à -face (50 GeV sur 50GeV) (voir figure 2.2).
AccĂ©lĂ©rateurs circulaires (Synchrotrons)LâancĂȘtre de ces appareil est le cyclotron, une invention due Ă Lawrence (1930). Il
est basĂ© sur lâidĂ©e de contenir la particule dans une rĂ©gion limitĂ©e Ă lâaide dâun champmagnĂ©tique. LâaccĂ©lĂ©ration est obtenue au moyen dâun champ Ă©lectrique.
La source de particules est placĂ©e au centre dâune enceinte cylindrique sous vide.Les particules se propagent entre les deux piĂšces polaires dâun Ă©lectro-aimant et sontdonc constamment soumises Ă un champ magnĂ©tique uniforme B. Lâappareil ressembleĂ un sandwich cylindrique coupĂ© en deux le long de son diamĂštre (voir figure 2.3). LesĂ©lectro-aimants ont une forme de D (dâoĂč le nom de ââdeeââ). Deux Ă©lectrodes entrelesquelles est appliquĂ©e une tension variable Ă haute frĂ©quence (HF) sont disposĂ©es danslâespace sĂ©parant les deux D. Le champ Ă©lectrique est nul Ă lâintĂ©rieurdâun D, lâĂ©quationde mouvement sâĂ©crit
dp
dt= Îłm
d
dtv = qvĂB
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28 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Figure 2.2 Le collisionneur SLC du SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) Ă Stanford, USA.
2.1 Sources 29
Figure 2.3 Cyclotron: la trajectoire des particules chargéee est circulaire entre les électro-aimants
en forme de D alors que celles-ci sont accélérées grùce à une tension appliquée dans la région
séparant les deux D.
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30 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
la vitesse|v| Ă©tant constante.Pour un champ uniforme et constant, si la vitesse initiale est perpendiculaire Ă la di-
rection deB, la trajectoire sera circulaire tout en demeurant dans le plan perpendiculaireĂ B puisque
B·dpdt
=d
dt(B · p) = B· (qvĂB) = 0
Le rayon de la trajectoire entre les D est donné par
Ï =Îłm |v||q| |B| =
|p||q| |B| (2.3)
avec une frĂ©quenceÏ = |q||B|Îłm . Le cyclotron atteint rarement des vitesses relativistes.
Dans ce cas,Îł â 1 etÏ ne dĂ©pend pas dev:
Ï â |q| |B|m
.
Il est possible dâaccĂ©lĂ©rer la particule Ă chaque passage dâun D Ă lâautre, en appliquantune tension haute frĂ©quence bien synchronisĂ©e. Il en suit un accroissement dâimpulsionde
âp = |q| |E|ât = |q| |E| d
|v| =|q||v|V
oĂčd est la distance entre les D etV, la tension appliquĂ©e.Puisque le rayon de la trajectoire dĂ©pend de lâimpulsion, le tout se traduit par un
accroissement correspondant du rayonÏ, et la trajectoire ressemble globalement Ă unespirale faite de demi-cercles.
Pour un rayon, un champs magnĂ©tique et une impulsion exprimĂ©s en mĂštre, Tesla etGeV respectivement, (2.3) sâĂ©crit (|q| = 1),
|p| = 0.3 |B| Ï.Par ailleurs, la direction de la courbure permet en gĂ©nĂ©ral de dĂ©terminer le signe de lacharge.
Lorsque la vitesse devient relativiste, la frĂ©quence de rotationÏ = |q||B|Îłm est modifiĂ©e
Ă chaque passage. Il est donc nĂ©cessaire de modifier la frĂ©quence du champ Ă©lectriquepour le synchroniser aux passages dâun paquet de particules au centre de la machine.Câest sur ce principe que sont construits les synchro-cyclotrons.
Toutefois, on atteint vite les limites raisonnables pour la dimension des Ă©lectroaimantssi on persiste Ă utiliser les synchro-cyclotrons pour des protons de plus de 1 GeV.
Finalement, dans les synchrotrons, on ajuste le champ magnĂ©tique B pendant lâaccĂ©lĂ©-ration de façon Ă maintenir le rayon de courbure du faisceau Ă peu prĂšs constant (voirfigure 2.5). LâaccĂ©lĂ©rateur consiste en: une sĂ©rie dâaimants dipolaire qui servent Ă cour-ber la trajectoire, intercalĂ©s Ă des endroits stratĂ©gique des aimants quadripolaires (voirfigure 2.3) pour focaliser le faisceau, des cavitĂ©s rĂ©sonantes Ă haute frĂ©quence pouraccĂ©lĂ©rer les particules et finalement des aires dâinteractions oĂč sont logĂ©s les dĂ©tecteurs.Le faisceau lui-mĂȘme est sous un vide presque parfait pour Ă©viter des diffusions inutileset des pertes dâintensitĂ© et dâĂ©nergie.
Lâun des plus grands dĂ©fis techniques dans la conception de ces appareils rĂ©side dansla focalisation optimale du faisceau. Puisque le faisceau est composĂ© de particules decharges identiques, ces derniĂšres ont tendance Ă sâĂ©loigner les unes des autres causantune diffusion du faisceau de plus en plus grande. En plaçant un champ magnĂ©tique non-
2.1 Sources 31
Figure 2.4 Aimants dans une section du tunnel au Tevatron, Fermilab Ă Batavia, USA.
© 1997 L. Marleau
32 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
RF~RF~
Aires
d'interaction
Cavités
résonantes
Aimaint dipolaire Aimaint quadrupolaire
Figure 2.5 SchĂ©ma trĂšs Ă©lĂ©mentaire dâun synchrotron. Il faut noter quâen gĂ©nĂ©ral, un accĂ©lĂ©rateur
est composĂ© de beaucoup plus dâĂ©lĂ©ments (aimants sextupolaires, systĂšmes de refroidissement et
de contrĂŽle,...) et leur disposition est assez complexe.
2.1 Sources 33
homogĂšne (quadrupĂŽles), il est toutefois possible de focaliser le faisceau en ramenant lesparticules dans la direction principale.
Accélérateurs de particules dans le monde
La conception optimale dâun accĂ©lĂ©rateur dĂ©pend dâun certain nombre de paramĂštresimportants tels que ses dimensions, sa luminositĂ©, son cycle de vie, la nature des parti-cules accĂ©lĂ©rĂ©es et, non le moindre, le coĂ»t.
De façon gĂ©nĂ©rale, le collisionneur qui consiste en deux anneaux concentriques (syn-chrotrons) oĂč sont accĂ©lĂ©rĂ©es les particules en sens inverses est un des plus performantspuisque lâĂ©nergie disponible dans le centre de masse est trĂšs grande. Cependant, la pro-babilitĂ© dâune interaction lorsque deux faisceaux arrivent face-Ă -face est beaucoup plusfaible que dans le cas dâune collision sur cible fixe Ă cause de la densitĂ© des faisceauxnotamment. Cette probabilitĂ© est paramĂ©trisĂ©e par une quantitĂ© appelĂ©e luminositĂ©,L.Le taux de rĂ©actionT pour un processus ayant une section efficaceÏ est alors
T = LÏ.La luminositĂ© dĂ©pend uniquement de la conception de lâaccĂ©lĂ©rateur et non du processus:
L = f · n · N1N2
AoĂčf est la frĂ©quence de rĂ©volution des particules,n, le nombre de paquets dans les fais-ceaux,N1 etN2, le nombre de particules par paquet dans chaque faisceau et finalement,A est la section efficace des faisceaux dans le cas simple oĂč ceux-ci se recouvrent com-plĂštement. La luminositĂ© sâexprime en unitĂ©s de pbâ1·sâ1 oĂč pb dĂ©note une unitĂ© desurface appelĂ©e le picobarn ( 1 pb= 10â36 cm2 = 10â40 m2).
La nature des particules accĂ©lĂ©rĂ©es joue aussi un rĂŽle important dans le choix dudesign. Par exemple, on sait que des particules chargĂ©es en mouvement accĂ©lĂ©rĂ© Ă©mettentun rayonnement Ă©lectromagnĂ©tique. Lorsque lâaccĂ©lĂ©ration est normale, comme câest lecas pour une trajectoire circulaire, il est appelĂ©rayonnement synchrotron. Il y a donc pertedâĂ©nergie mĂȘme si on ne fait que maintenir les particules chargĂ©es sur leur trajectoirecirculaire. LâĂ©nergie perdue par tour est donnĂ©e par
âE =4Ï
3
e2v2Îł4
Ï
oĂč v est la vitesse des particules,Îł =(1â v2
) 12 est le facteur relativiste etÏ le rayon
de courbure du faisceau. Cependant, on voit aisĂ©ment que la perte dâĂ©nergie est dâautantplus grande que la masse des particules est petite pour des faisceaux de mĂȘme Ă©nergie.En effet
Îł =E
m,
et, par exemple, si on compare des faisceaux dâĂ©lectrons et de protons de mĂȘmes Ă©nergieet courbure,
(âE)e(âE)p
=
(mp
me
)4
â 1013.
En fait, les derniers grands accĂ©lĂ©rateurs ont tous Ă©tĂ© construits sur le principe du col-lisionneur. La prochaine gĂ©nĂ©ration dâaccĂ©lĂ©rateurs dâĂ©lectrons (au-delĂ du TeV) devraĂȘtre basĂ©e sur le principe des machines linĂ©aires (voir figure 2.6).
© 1997 L. Marleau
34 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Figure 2.6 La prochaine génération de collisionneurs linéaires électron-positron, NLC (Next Linear
Collider).
2.1 Sources 35
Collisionneurs
Projet/LaboratoireĂnergie(GeV)
Circonférence(km)
e+eâCESR (1979)CornellâIthaca,USA
6 + 6
PEPSLACâStanford,USA
15 + 15
PEP-II (1999)SLACâStanford,USA
9 + 3.1
PETRA (1992-)DESYâHambourg,All.
23 + 23
TRISTAN (1999)TsukubaâKEK,Japon
30 + 30
SLC (1989)SLACâStanford,USA
50 + 50
LEP I et II (1990-)CERNâGenĂšve,Suisse
I: 45 + 45II: 87 + 87
26.659
VLEPP (? )INPâSerpukov,Russie
500 + 5001000 + 1000
pp, ppSppS (1981â1990)CERNâGenĂšve,Suisse
315 6.911
Tevatron (1987-)FermilabâBatavia,USA
900 + 900 6.28
LHC (~2004)CERNâGenĂšve,Suisse
7000 + 7000 26.659
SSC (AnnulĂ©)SSCâWaxahachie,USA
20000 + 20000 87.12
epHERA (1992-)DESYâHambourg,All.
e: 30 + p: 820 6.336
Outre leur utilisation en physique des particules, les accĂ©lĂ©rateurs sâavĂšrent mainte-nant essentiels dans lâĂ©tude de la radiation synchrotron, pour des expĂ©riences en physiqueatomique, en physique du solide, en biologie et pour Ă©talonner certains instruments dâas-trophysique. Notons quâils se rĂ©vĂšlent des instruments de vĂ©rification trĂšs efficaces de lathĂ©orie de la relativitĂ© restreinte.
© 1997 L. Marleau
36 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Figure 2.7 Vue aérienne du Tevatron de Fermilab à Batavia, USA.
2.1 Sources 37
Figure 2.8 Plan des accĂ©lĂ©rateurs (PS, SPS et LEP) et des sites dâinteractions (ALEPH, OPAL, L3
et DELPHI) du CERN Ă GenĂšve, Suisse.
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38 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
2.2 DĂ©tecteurs
Un détecteur sert à identifier les caractéristiques des particules en jeu dans une réac-tion. De maniÚre plus générale, les détecteurs peuvent remplir de nombreuses fonctions.
DĂ©crire dans la mesure du possible la trajectoire de chacune des particules. Ă cet ef-fet, on utilise plusieurs mĂ©thodes soit des petits compteurs dont la position et lâalignementpermettent de dĂ©terminer la direction dâune particule, soit des dĂ©tecteurs entrecroisĂ©s etempilĂ©s formant une matrice pouvant identifier les directions de plusieurs particules, oubien encore tout simplement un dĂ©tecteur Ă trace, qui comme son nom lâindique, trace latrajectoire des particules qui le traversent.
Mais ce nâest pas tout deââvoirââ la particule, il faut aussi ĂȘtre en mesure de:
DĂ©terminer lâimpulsion et la charge Ă©lectrique des particules chargĂ©es. Dans biendes cas, ces informations sont obtenues en observant la trajectoire de la particules dansun champ magnĂ©tique appliquĂ© sur une partie du trajet;
Identifier chaque particule en mesurant sa masse. Pour les particules chargĂ©es, lamesure simultanĂ©e de leur impulsion et de leur vitesse par lâionisation dâun milieu mĂšneĂ ce rĂ©sultat;
Finalement, la sĂ©lection dâĂ©vĂ©nements par ce quâon appelle ââtriggersââ ou dĂ©clen-cheurs est une fonction cruciale dans les dĂ©tecteurs pour Ă©viter un cumul inutile dâĂ©vĂ©-nements qui ne sont pas pertinents dans lâĂ©tude en cours. Cette sĂ©lection doit sâeffectuertrĂšs rapidement. Elle est en gĂ©nĂ©ral effectuĂ©e par des dĂ©tecteurs possĂ©dant un temps derĂ©ponse trĂšs court.
Ce ne sont pas les seules contraintes auxquelles sont confrontĂ©s les expĂ©rimentateurs.Le dĂ©tecteur parfait devrait ĂȘtre aussi efficace quelque soit le type de particules, devraitprendre ses mesures sans influencer le systĂšme ou sans ĂȘtre affecter par le faisceau, de-vrait avoir une prĂ©cision illimitĂ©e, etc... Dans la pratique, on fait appel Ă une combinaisonde dĂ©tecteurs diffĂ©rents chacun spĂ©cialisĂ© Ă des tĂąches bien prĂ©cises afin dâoptimiser laquantitĂ© et la qualitĂ© des mesures effectuĂ©es. Ces derniĂšres sont alors mises en communet analysĂ©es.
Mais avant de décrire les principaux détecteurs, examinons quels principes physiquessont exploités dans la construction de ces appareils.
Principes de détections
Pour quâil y ait dĂ©tection, il faut quâil y ait interaction. La trĂšs grande majoritĂ© des dĂ©-tecteurs se basent sur les interactions Ă©lectromagnĂ©tiques des particules avec la matiĂšre.Câest pourquoi, Ă quelques exceptions prĂšs, que seules les particules chargĂ©es sont dĂ©-tectĂ©es directement. Les photons, bien que neutres, se manifestent par leurs interactionsavec ces particules chargĂ©es.
Les autres particules neutres nâont aucune interaction Ă©lectromagnĂ©tique. Ils ne peu-vent ĂȘtre ââvuesââ quâĂ la suite de collisions, dĂ©sintĂ©grations ou tout autre processus pro-duisant des particules chargĂ©es secondaires.
2.2 DĂ©tecteurs 39
Ionisation
Le processus le plus courant est lâionisation. Le champ Ă©lectromagnĂ©tique dâune par-ticule chargĂ©e en mouvement accĂ©lĂšre les Ă©lectrons des atomes avoisinant sa trajectoireet les ionisent. Lâion est alors dĂ©tectable soit chimiquement, soit Ă©lectriquement (voirfigure 2.9).
e -
e -
Îł e -
Figure 2.9 Processus dâionisation dâun atome.
Dans le processus, la particule chargĂ©e continue sa trajectoire mais une partie de sonĂ©nergie est absorbĂ©e par le milieu. La thĂ©orie permet de trĂšs bien prĂ©dire le taux de cespertes qui sont principalement dues Ă la diffusion coulombienne par des Ă©lectrons ato-miques (Ă ne pas confondre avec la diffusion coulombienne avec les noyaux). Les calculsde Bethe, Bloch et dâautres dans les annĂ©es â30 mĂšnent Ă la formule de Bethe-Bloch quiexprime le taux de perte en fonction de la distance de pĂ©nĂ©trationx,
âdE
dx=
DZ2ne
v2
[ln
2mv2Îł2
Iâ v2 â ÎŽ (Îł)
2
]
oĂčm, Z et v sont la masse, la charge et la vitesse de la particule respectivement (â =
c = 1). Îł est le facteur de Lorentz1â v2â 12 . La constanteD est donnĂ©e par
D =4Ïαem
malors queI est le potentiel dâionisation moyen (I = 10Z eV pourZ > 20). La fonctionÎŽ tient en compte lâeffet dâĂ©cran diĂ©lectrique. Finalement,ne est la densitĂ© Ă©lectroniquedu milieu.
En principe, la formule ci-haut sâapplique seulement aux particules de spin-0 maisles corrections pour les particules de spin-1
2 sont petites et Ă toutes fins pratiques nĂ©gli-geables. Ă petite vitesse, le comportement deâdE
dx est dominĂ© par le facteur1v2 danslâexpression. Toutes les particules chargĂ©es passent par un minimum dâionisation pourdes valeursvÎł dâenviron 3 ou 4. Finalement, pour de trĂšs grande impulsion,v est pra-tiquement lâunitĂ© et lâexpression augmente logarithmiquement jusquâĂ ce quâelle soitcontrebalancĂ©e par lâeffet dâĂ©cran.
Une connaissance approfondie du milieu ionisé permet alors de déterminer la vitesseet la charge de la particule chargée.
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40 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Diffusion de Coulomb
La particule chargĂ©e peut aussi interagir Ă©lectromagnĂ©tiquement avec des noyauxlourds. Câest ce quâon appelle la diffusion de Coulomb.(Voir figure 2.10) La rĂ©action
e -
e -
Îł
Figure 2.10 Diffusion de Colomb (particule chargée avec noyau).
est en général plus brutale pour la particule incidente à cause de la masse du noyau. Ceprocessus est caractérisé:
âą une cible immobile ou presque;
⹠une diffusion transverse ou un angle de diffusion appréciable;
âą une collision Ă©lastique ou quasi-Ă©lastique (conservation de lâĂ©nergie).
Rayonnement de freinage
Dans ce processus, la collision particule-noyau est accompagnĂ©e de lâĂ©mission dâunphoton et donc se distingue de la diffusion de Coulomb par son inĂ©lasticitĂ©(voir figure2.11). Des calculs dĂ©taillĂ©s donnent un taux de perte dâĂ©nergie pour des Ă©lectronsrelativistes (avecE â« m
αemZ13
) de
âdE
dx=
E
λoĂčλ est la longueur de radiation
λâ1 = 4Z (Z + 1)
m2α3
emna ln
(
183
Z13
)
avec la densitĂ© atomiquena. Contrairement Ă lâionisation, le rayonnement de freinagedĂ©pend fortement de la masse de la particule chargĂ©e (â mâ2) et sera dominant pour desparticules peu massives (Ă©lectrons et positrons).
Absorption de photons par la matiĂšre
Les photons ont une forte probabilitĂ© dâĂȘtre absorbĂ©s ou diffusĂ©s Ă de grands anglespar les atomes dans un matĂ©riau. La densitĂ©I de photons monochromatiques dâun fais-
2.2 DĂ©tecteurs 41
e -
e -
Îł
Îł
Figure 2.11 Rayonnement de freinage.
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42 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
ceau (ou lâintensitĂ© dâun faisceau) varie selondI
dx= â I
λoĂčλ est le chemin libre moyen qui est inversement proportionnel Ă la densitĂ© du matĂ©riauet Ă la section efficace dâabsorption ou de diffusion:
λâ1 = naÏÎł.
IntĂ©grant lâĂ©quation prĂ©cĂ©dente, on trouve
I(x) = I(x0)eâ(xâx0)/λ,
ce qui indique une diminution exponentielle de lâintensitĂ© du faisceau en fonction de ladistance de pĂ©nĂ©tration.
Lâabsorption de photons par la matiĂšre passe par trois processus qui contribuent tousĂ la section efficace totaleÏÎł:
âą Effet photoĂ©lectrique: Un photon absorbĂ© libĂšre un Ă©lectron des couches plus oumoins profondes. Le spectre dâabsorption du milieu dĂ©pend de lâĂ©nergie des photonsmais est surtout caractĂ©risĂ© par des pics correspondant aux Ă©nergies de liaisons desĂ©lectrons (voir figure 2.12).
Îłe -
Figure 2.12 Effet photoélectrique.
âą Effet Compton: Lâeffet Compton dĂ©crit le processus de diffusion dâun photon par lamatiĂšre. Ce processus est inĂ©lastique (voir figure 2.13).
âą CrĂ©ation de paires: Au delĂ dâun certain seuil dâĂ©nergieE2 = 2mec2, les photons
peuvent, en prĂ©sence dâun champ externe, induire la crĂ©ation dâune paire particule-antiparticule de masse dont les masse sontme (voir figure 2.14). On identifiedeux contributions distinctes Ă la section efficace: une premiĂšre oĂč le champ ex-terne est celui des Ă©lectrons atomiques et une seconde oĂč les photons interagissentavec le champ du noyau. Ă trĂšs haute Ă©nergie, la crĂ©ation de paires domine les effetsphotoĂ©lectrique et Compton dans lâexpression de la section efficace totaleÏÎł.
Instruments de détection
2.2 DĂ©tecteurs 43
e -
e -
Îł Îł
e -
e -
Îł Îł
Figure 2.13 Effet Compton
e -
e -
γγ
Figure 2.14 Création des paires particule-antiparticule.
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44 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Chambre dâionisation, compteur proportionnel et compteur de Geiger-MĂŒller
Ces trois dĂ©tecteurs sont en quelque sorte le mĂȘme appareil qui fonctionne Ă troisrĂ©gimes diffĂ©rents. Ils consistent dâun tube mĂ©tallique rempli dâun gaz et traversĂ© enson axe central par un fil de mĂ©tal. Le fil et le cylindre sont soumis Ă une diffĂ©rence depotentielV (voir figure 2.15). Lorsquâune particule chargĂ©e traverse lâenceinte, le
Ampli.fil
gaz
particule
ionisante
V
Figure 2.15 Chambre Ă ionisation.
gaz est ionisĂ©. Ălectrons et ions se dirigent alors vers le fil ou la paroi du tube provoquantune impulsion Ă©lectrique dĂ©tectable aux bornes du dĂ©tecteur. La tensionV dĂ©termine lanature du signal. En deçà dâun certain seuil,V < Vseuil, lâion et lâĂ©lectron se recombineavant mĂȘme de pouvoir atteindre les bornes. Alors aucun signal et aucune ionisation nesont dĂ©tectable. PourV > Vseuil, trois rĂ©gimes sont possibles:
1. Le rĂ©gime de la chambre dâionisation oĂčVseuil < V < Vion: Les ions primairesproduits par la particule chargĂ©e sont recueillis. Le signal est alors proportionnel aunombre, Ă la charge et Ă lâĂ©nergie des particules.
2. Le rĂ©gime du compteur proportionnel oĂč Vion < V < VGM: Pour un potentielsuffisamment grand, les ions sont accĂ©lĂ©rĂ©s Ă des Ă©nergies telles quâils ionisent eux-mĂȘmes les autres atomes du gaz. Il en dĂ©coule une amplification du signal qui esttypiquement proportionnel Ă lâĂ©nergie des particules incidentes.
3. Le rĂ©gime du compteur de Geiger-MĂŒller oĂčV > VGM: Dans ce rĂ©gime, uneparticule chargĂ©e dĂ©clenche lâionisation complĂšte du gaz. Le signal consiste alors enune brĂšve impulsion dont lâintensitĂ© nâest plus proportionnelle Ă lâĂ©nergie.
Ces trois types de détecteurs peuvent aussi détecter des photons mais ceux-ci sontabsorbés dans le processus.
Chambre à fils (ou compteur proportionnel multifils):Le compteur proportionnel multifils, introduit par G. Charpak (1968-70), est basé
sur lâidĂ©e dâaligner cĂŽte-Ă -cĂŽte des compteurs proportionnels. Les tubes sont remplacĂ©spar deux plans cathodiques espacĂ©s de 2 mm entre lesquels on place des fils anodiquesparallĂšles Ă tous les 20”m. Lâenceinte entre les deux plans est remplie de gaz ionisant(voir figure 2.16).
Une particule chargée passant à travers cet appareil produit une impulsion électriquesur le fil le plus proche de sa trajectoire. En disposant un deuxiÚme détecteur de façon à ce que les fils des deux compteurs forment un quadrillage, on obtient la position de la par-
2.2 DĂ©tecteurs 45
fils (anodes)
plaques
(cathodes)
particule
ionisante
Figure 2.16 SchĂ©ma dâune chambre Ă multifils.
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46 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
ticule. Un empilement des plusieurs de ces compteurs permet de déterminer la trajectoirede la particule à 500”m prÚs avec un temps de réponse typique de30 ns.
Chambre Ă streamer et chambres Ă flash:UtilisĂ©es dans le rĂ©gime de Geiger-MĂŒller, des chambres proportionnelles gĂ©nĂšrent
des avalanches dâĂ©lectrons dans le gaz qui Ă leur tour produisent un plasma appelĂ© ââstrea-merââ visible Ă lâoeil nu. Ce dĂ©tecteurs se nomme ââchambre Ă streamerââ. La chambre estprĂ©parĂ©e en envoyant de courtes impulsions Ă©lectriques de 10 Ă 50 kV cmâ1 entre desplaques transparentes parallĂšles. Lorsquâune particule chargĂ©e passedans la chambre,elle dĂ©clenche une sĂ©rie de dĂ©charges qui dessinent sa trajectoire. Celle-ci peut ĂȘtre pho-tographiĂ©e ou enregistrĂ©e Ă©lectroniquement. La rĂ©solution spatiale de ces appareils esttypiquement de200”m.
Pour une impulsion de trĂšs haut voltage, il se forme une ionisation complĂšte entre lepoint de passage de la particule et le fil, produisant ainsi un ââflashââ. Dans ce rĂ©gime,on parle de ââchambre Ă flashââ. Elles sont formĂ©es dâune multitude de tubes transpa-rents et sont donc limitĂ©s dans leur rĂ©solution spatiale par le diamĂštre des tubes. CesdĂ©tecteurs sont toutefois plus simples et moins coĂ»teux que des chambres Ă multifils, cequi reprĂ©sente un avantage certain dans la construction de dĂ©tecteurs de grande dimensiontels que les calorimĂštres.
Chambre à dériveLes chambres à dérive représentent aussi un choix valable face aux chambres à multi-
fils. Dans ces dĂ©tecteurs, les fils sont sĂ©parĂ©s dâune bonne distance. Lâavalanche dâĂ©lect-rons dĂ©clenchĂ©e par une particule chargĂ©e qui traverse le gaz met alors un certain tempsavant dâĂȘtre recueillie par les Ă©lectrodes (voir figure 2.17). La trajectoire est reconstituĂ©een tenant compte du temps de dĂ©rive de lâavalanche qui est typiquement de lâordre 2”sâ ceci reprĂ©sente aussi une contrainte puisquâun seul Ă©vĂ©nement peut ĂȘtre reconstituĂ©pendant ce temps. Avec une vitesse de dĂ©rive dâenviron 40 km/s et des dĂ©rives typiquesde 10 cm, on atteint une rĂ©solution spatiale de 0.1 mm.
cathode
fils formant le champs de dérive
anode
particuleionisante
-1 -2-.5 -3 kV-2.5
1.7 kV -3.5 kV
Ă©lectrons
Figure 2.17 SchĂ©ma dâune chambre Ă dĂ©rive.
2.2 DĂ©tecteurs 47
DĂ©tecteur Ă semiconducteurDans le mĂȘme ordre dâidĂ©e, on a mis au point plus rĂ©cemment des dĂ©tecteurs Ă semi-
conducteurs,qui sont en quelque sorte, des chambres Ă ionisation au silicone. Les pairesĂ©lectron-trou y jouent le rĂŽle des paires Ă©lectron-ion dans le dĂ©tecteur Ă gaz. Ces dĂ©tec-teurs, beaucoup plus petits, ont une rĂ©solution spatiale sans Ă©gal (5”m) et sont souventutilisĂ©s pour localiser prĂ©cisĂ©ment la position dâun vertex dâinteraction. Par ailleurs, ilsont facilement endommagĂ©s par la radiation et ne peuvent ĂȘtre utilisĂ©s prĂšs du faisceauprincipal.
Chambre de Wilson, chambre Ă bulles et Ă©mulsion photographiqueCes trois types de dĂ©tecteurs sont maintenant beaucoup moins utilisĂ©s quâil y a moins
de vingt ans et ce, principalement parce quâils ont un temps de rĂ©ponse trop Ă©levĂ© et quâilsont mal adaptĂ©s aux conditions qui prĂ©valent dans les collisionneurs.
Les chambres de Wilson sont remplies de vapeurs dâalcool qui sont soudainementcomprimĂ©es. Dans un Ă©tat ââsuperfroidââ, le gaz se condense Ă la moindre perturbation dumilieu tel que le passage dâune particule chargĂ©e.
La chambre Ă bulles (inventĂ©e par Glaser) a connu des heures de gloire dans les annĂ©esâ60. Elle consiste en un rĂ©cipient oĂč de lâhydrogĂšne liquide est maintenue sous pressionpour ĂȘtre pĂ©riodiquement (Ă toute les 0.1 s) relĂąchĂ©e rapidement. LâhydrogĂšne liquideest donc temporairement Ă une tempĂ©rature ââsuperchaudeââ (T > Tebullition). Le passagedâune particule chargĂ©e dĂ©clenche la formation de bulles le long de la trajectoire. Le toutest photographiĂ© sous deux angles de vue, ce qui permet de reconstituer la trajectoire entrois dimensions (voir figure 2.18).
Finalement, les Ă©mulsions photographiques sont sensibles aux radiations. Le milieuenregistre chimiquement la trajectoires des particules. Les Ă©mulsions sont exposĂ©es pen-dant un certain temps puis ensuite doivent ĂȘtre dĂ©veloppĂ©es et analysĂ©es. La rĂ©solutionspatiale est excellente soit 1”m mais la rĂ©solution temporelle est presque inexistante Ă cause des dĂ©lais de dĂ©veloppement.
Compteur Ă scintillationsLâexcitation dâatomes dans certains milieux peut induire la luminescence (scintilla-
tion) qui Ă son tour est dĂ©tectable par des photomultiplicateurs. Câest ce principe qui estutilisĂ© dans les compteurs Ă scintillations.
Le scintillateur peut ĂȘtre soit organique, inorganique, solide ou liquide. Dans tousles cas, le passage de particules chargĂ©es entraĂźne lâĂ©mission de lumiĂšre visible, dans lecas dâun cristal, ou ultraviolette (UV) dans des matĂ©riaux organiques. Dans ce derniercas, des colorants sont incorporĂ©s aux matĂ©riaux pour convertir lâUV en lumiĂšre bleuevisible par fluorescence. La lumiĂšre ainsi produite est ensuite guidĂ©e vers un tube pho-tomultiplicateur. Celui-ci est formĂ© dâune photocathode enduite dâune mince couche demĂ©tal alcalin. Les photons, en arrivant sur la photocathode, libĂšrent des Ă©lectrons pareffet photoĂ©lectrique. Le signal est alors amplifiĂ© en passant par une sĂ©rie dâĂ©lectrodespour donner une impulsion Ă©lectronique rapide (voir figure 2.19).
Le temps de rĂ©ponse total est trĂšs rapide â typiquement de 10 ns â ce qui fait deces dĂ©tecteurs des dispositifs de dĂ©clenchement idĂ©aux (ââtriggerââ). Un compteur Ă scin-tillation typique a des dimensions de 1mĂ 10cmĂ 1cm et donc une faible rĂ©solution
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48 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Figure 2.18 Exemple dâĂ©vĂ©nement dans une chambre Ă bulle du SPS au CERN(gauche) et de sa
reconstitution (droite).
Tubephotomultiplicateur
Scintillateur
guide
d'ondes
Figure 2.19 SchĂ©ma dâun scintillateurs.
2.2 DĂ©tecteurs 49
spatiale. Une disposition judicieuse de plusieurs de ces détecteurs peut, bien sur, amélio-rer sensiblement cette résolution.
Compteur Cerenkov
Lorsquâune particule chargĂ©e traverse un milieu dispersif dâindice de rĂ©fractionn(i.e. cmilieu = c
n ), des atomes sont excités dans le voisinage de sa trajectoire et de lalumiÚre est émise. Si la vitesse de la particulev est plus grande que celle de la lumiÚredans le milieu,cmilieu = c
n , alors un effet analogue au bang sonique Ă©mis par un avionsupersonique se produit, câest-Ă -dire quâun front dâonde se forme et se propage Ă un angleΞ (voir figure 2.20),
cos Ξ =1
vn.
Câest ce quâon appelle lâeffet Cerenkov. Les compteurs Cerenkov permettent donc
Ξ
â t/n
âv t
Figure 2.20 Forme du front dâonde dans lâeffet Cerenkov.
de déterminer la vitesse des particules. On en utilise surtout deux types:
1. Les Cerenkov Ă seuil, oĂč lâon compte les particules dont la vitesse dĂ©passe une vites-se seuil. Ce seuil peut ĂȘtre ajuster en variant lâindicen dans les Cerenkov Ă gaz depression variable.
2. Les Cerenkov diffĂ©rentiels, qui mesurent directement lâangleΞ et doncv.
DĂ©tecteur Ă rayonnement de transition
Lorsquâune particule chargĂ©e traverse lâinterface entre deux milieux de constantesdiĂ©lectriques diffĂ©rentes, unrayonnement de transitionest Ă©mis. Celui-ci est causĂ© par unchangement brusque du champ Ă©lectromagnĂ©tique crĂ©Ă© par la charge en mouvement. Ceteffet collectif avec le milieu peut ĂȘtre dĂ©crit classiquement. Lâutilisation du rayonnementde transition dans les dĂ©tecteurs est possible dans le rĂ©gime oĂč les particules sont trĂšsrelativistes, ce qui correspond Ă des longueurs dâonde du domaine des rayons X.
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50 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Compteur Ă gerbes et calorimĂštre
Avec la construction dâaccĂ©lĂ©rateurs de plus en plus puissants, et des particules pou-vant atteindre des Ă©nergies supĂ©rieures Ă 100 GeV, les mĂ©thodes de dĂ©tection ont du ĂȘtremodifiĂ©es. Une technique sâest rĂ©vĂ©lĂ©e extrĂȘmement performante dans ce nouveau rĂ©-gime dâĂ©nergie: la calorimĂ©trie. Une particule de trĂšs haute Ă©nergie, lorsquâelle est ab-sorbĂ©e dans un dĂ©tecteur, produit des particules secondaires qui Ă leur tour sont absorbĂ©eset produisent des particules tertiaires....Presque toute lâĂ©nergie de la particule est alorsperdue par crĂ©ation de particules (gerbes ou avalanches) jusquâau moment oĂč lâionisa-tion ou lâexcitation du milieu domine. Il est alors possible dâestimer prĂ©cisĂ©ment lâĂ©nergie(du moins avec autant de prĂ©cision que par dĂ©flexion magnĂ©tique) aussi bien pour deshadrons neutres que pour des particules chargĂ©es. Ces dĂ©tecteurs prĂ©sentent lâinconvĂ©-nient dâĂȘtre destructifs. Par ailleurs, sur un plan plus pratique, ils permettent de mesurertrĂšs rapidement lâĂ©nergie de la particule initiale et de sĂ©lectionner les Ă©vĂ©nements. Deplus ils sont particuliĂšrement adaptĂ©s Ă lâĂ©tude desjets. Il existe deux types de dĂ©tecteursde gerbes:
e+
e -
Îł
Plomb
gaz rare ou
scintillateurs
V
Figure 2.21 SchĂ©ma dâun calorimĂštre Ă©lectromagnĂ©tique.
1. DĂ©tecteurs de gerbes Ă©lectromagnĂ©tiques: Un dĂ©tecteur de gerbes Ă©lectromagnĂ©-tiques consiste typiquement en une batterie de plaques absorbantes faite dâun matĂ©-riau lourd (e.g. plomb) entre lesquelles on place un matĂ©riau dotĂ© de propriĂ©tĂ©s ââacti-vesââ tel que lâargon liquide. Une tension est appliquĂ©e entre les plaques et les anodes.Les Ă©lectrons provenant de lâionisation sont alors recueillis par les anodes (voir figure2.21).
2. Détecteurs de gerbes hadroniques: Les détecteurs de gerbes sont construits sur un
2.2 DĂ©tecteurs 51
principe similaire mais visent la dĂ©tection des particules hadroniques qui peuvent ĂȘtreneutres (e.g. neutrons). Il doivent donc ĂȘtre sensibles aux interactionsfortes. Câest leseul type de dĂ©tecteurs qui nâest pasexclusivement Ă©lectromagnĂ©tique.En effet, dansle but dâamplifier le signal hadronique notamment dans la dĂ©tection de neutrons, onutilise souvent des plaques dâuranium dans le dĂ©tecteur. Lorsquâun neutron entre encollision avec un noyau dâuranium, il peut y avoir fission du noyau et production detrois neutrons, qui Ă leur tour, peuvent interagir avec lâuranium et ainsi de suite. Lessections efficaces nuclĂ©aires Ă©tant plus faibles, les calorimĂštres hadroniques sont engĂ©nĂ©ral plus grands que les calorimĂštres Ă©lectromagnĂ©tiques.
Figure 2.22 Schéma du détecteur SLC utilisé au collisionneur électron-positron du SLAC de Stan-
ford, USA.
DĂ©tecteur hybride
Les dĂ©tecteurs qui sont dĂ©crits plus haut ont des caractĂ©ristiques diffĂ©rentes, cha-cun ayant des forces et des faiblesses. Les grands dĂ©tecteurs modernes sont en fait deshybrides formĂ©s dâun regroupement quelques fois assez imposant (de la hauteur dâunĂ©difice de trois Ă©tages) de ces diffĂ©rents appareils, exploitant ainsi chacune de leurs ca-ractĂ©ristiques (voir figures 2.22, 2.23, 2.24 et 2.25). La reconstitution des Ă©vĂ©nements estalors prise en charge par lâĂ©lectronique et les ordinateurs (voir par exemple figures 2.26et 2.27). Vu la complexitĂ© de ces appareils, on a mis au point des programmes de simula-tion basĂ©s sur la gĂ©nĂ©ration alĂ©atoire de collisions (simulation Monte Carlo). Ces Ă©tudespermettent de dĂ©terminer lâefficacitĂ© du dĂ©tecteur hybride dans une situation rĂ©aliste.
© 1997 L. Marleau
52 Chapitre 2 SOURCES ET DĂTECTEURS
Figure 2.23 Schéma du détecteur H1 utilisé au collisionneur électron-proton de DESY de Ham-
bourg, Allemagne.
De nombreux défis se posent durant la conception et le fonctionnement des détec-teurs:
Le dĂ©clenchement: Seulement une faible portion (typiquement 1 sur 105) des col-lisions sont intĂ©ressantes. Il faut donc prĂ©voir des processus de veto rapide pendant lesexpĂ©riences Ă dĂ©faut de quoi il serait nĂ©cessaire dâaccumuler et dâanalyser une banquede donnĂ©es inutilement grande.
Le bruit : Tout Ă©vĂ©nement est caractĂ©risĂ© par ce quâon appelle sa signature, câest-Ă -dire une combinaison de traces ou particules. Souvent, cette signature peut ĂȘtre imitĂ©e pardâautres processus. Il est donc nĂ©cessaire dâanalyser (par simulation ou autre mĂ©thode)quelle portion du signal vient de ce bruit.
Le taux de comptage: Avant mĂȘme dâentreprendre lâanalyse dâun processus, il fautĂȘtre en mesure dâestimer son taux de production. Le taux dâun Ă©vĂ©nement par annĂ©e est engĂ©nĂ©ral inacceptable. Celui-ci dĂ©pend de la section efficace mais aussi de la luminositĂ©et du temps-machine disponible. Une bonne partie des travaux aux accĂ©lĂ©rateurs visedâailleurs Ă rehausser le plus possible ces paramĂštres.
La diminution de la section efficace en fonction de lâĂ©nergie: Typiquement, lasection efficace dâun processus exclusif Ă haute Ă©nergie varie selon
Ï âŒ 1
s.
Cela qui implique que plus on sonde profondément la matiÚre, moins les collisions sontfréquentes, i.e. le taux de comptage est plus faible.
Les rumeurs et les préjugés: Finalement, la science étant une entreprise humaine, il
3.0 53
Figure 2.24 DĂ©tecteur CDF au Tevatron de Fermilab, Batavia, USA.
faut bien sĂ»r prendre toutes les mesures possibles pour Ă©viter que les prĂ©jugĂ©s en faveurde telle ou telle thĂ©orie ou rĂ©sultat et les rumeurs de dĂ©couverte par dâautres groupesnâinfluencent lâanalyse et les conclusions.
© 1997 L. Marleau
Figure 2.25 DĂ©tecteur D0 au Tevatron de Fermilab, Batavia, USA.
Figure 2.26 Exemple de reconstitution dâĂ©vĂ©nements dans le dĂ©tecteur SLD.
3.0 55
Figure 2.27 Exemple de reconstitution dâĂ©vĂ©nements dans le dĂ©tecteur ZEUS utilisĂ© dans le projet
HERA Ă DESY, Hambourg, Allemagne.
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56 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
3 DIFFUSION ET INTERACTIONENTRE PARTICULES
La plupart des renseignements sur les propriĂ©tĂ©s des particules nous proviennent desexpĂ©riences de diffusion. Ce chapitre dĂ©crit les notions Ă©lĂ©mentaires qui permettent decalculer les sections efficaces et les largeurs de dĂ©sintĂ©gration. Nous introduisons dâabordles principales quantitĂ©s cinĂ©matiques impliquĂ©es dans ces interactions. Puis, nous dĂ©cri-vons tour Ă tour la reprĂ©sentation des interactions, la matrice de diffusion,S et lâespacede phase, tous des Ă©lĂ©ments essentiels aux calculs des quantitĂ©s observables.
3.1 CinĂ©matique dâune rĂ©action - Variables de Mandelstam
Les propriĂ©tĂ©s combinĂ©es dâinvariance sous une transformation de Lorentz et deconservation de certaines quantitĂ©s cinĂ©matiques sâavĂšrent trĂšs utiles dans lâanalyse dela cinĂ©matique des processus de diffusion. En effet, dans un processus subatomique, lesconditions suivantes sont respectĂ©es:
1. On peut définir un ou des invariants de Lorentz i.e. des quantités indépendantes dusystÚme de référence (Lab., CM, ...)
2. La quadri-impulsion est conservée dans une réaction.
Mandelstam a défini des variables cinématiques qui combinent ces deux propriétés.Pour une réaction impliquant deux particules initiales et deux particules finales
1 + 2 â 3 + 4 (3.1)
(voir figure 3.1), on peut définir les trois quantités
s ⥠(p1 + p2)2 = (p3 + p4)
2
= m21 + 2E1E2 â 2p1 · p2 +m2
2
t ⥠(p3 â p1)2 = (p4 â p2)
2
= m21 â 2E1E3 + 2p1 · p3 +m2
3
u ⥠(p3 â p2)2 = (p4 â p1)
2
= m21 â 2E1E4 + 2p1 · p4 +m2
4
oĂč les variabless et t sont respectivement le carrĂ© de la somme des Ă©nergies initiales
1
p2
4
3
p
pp
Figure 3.1 Processus Ă quatre corps.
3.1 CinĂ©matique dâune rĂ©action - Variables de Mandelstam 59
dans le CM et le carrĂ© du transfert dâĂ©nergie-impulsion.
Exemple 3.1Prouver que:
s+ t+ u =
4â
i=1
m2i (3.2)
oĂčmi = masse de la particulesi (i = 1, 2, 3, 4).Posons dans le CM des particules incidentes
(p1 + p2) = 0 (3.3)
et pour des particules de masses identiques
mi = m pouri = 1, 2, 3, 4
|p1| = k = |p2|
Ξ = angle entrep1 etp3.
Alors la variables se calcule comme suit
s = (p1 + p2)2
= (E1 + E2)2 â (p1 + p2)
2
= (E1 +E2)2 = (2E1)
2
= 4k2 +m
2. (3.4)
La variablet est donnée par
t = (p3 â p1)2
= p23 + p
21 â 2p3 · p1
= 2m2 â 2 (E3E1 â p3 · p1)
= 2m2 â 2(â
k2 +m2 ·â
k2 +m2 â k2 cos Ξ
)
= â2k2 (1â cos Ξ) (3.5)
alors queu est par symĂ©trie (p1 â p2)
u = (p3 â p2)2
= â2k2 (1 + cos Ξ) . (3.6)
SystĂšme du centre de masse (4-corps)
On peut Ă©tablir un certain nombre de relations pour un systĂšme Ă quatre corps (voirfigure 3.2). En terme des variables de Mandelstam, les quantitĂ©s dynamiques sâĂ©cri-vent:
E1CM =s+m2
1 âm22
2âs
E2CM =s+m2
2 âm21
2âs
1997 L. Marleau
60 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
Ξ
p
p
1p
4
3
p 2
Figure 3.2 Collision dans le repĂšre du centre de masse.
3.1 CinĂ©matique dâune rĂ©action - Variables de Mandelstam 61
pCM ⥠|p1CM| = |p2CM| =âλ (s,m2
1,m22)
2âs
(3.7)
E3CM =s+m2
3 âm24
2âs
E4CM =s+m2
4 âm23
2âs
pâČCM ⥠|p3CM| = |p4CM| =âλ (s,m2
3,m24)
2âs
(3.8)
oĂčλ (x, y, z) = x2 + y2 + z2 â 2xy â 2xz â 2yz.
SystĂšme du laboratoire (4-corps, cible fixe)
De la mĂȘme façon, on peut Ă©crire des relations semblables dans systĂšme du laboratoire(voir figure 3.3). Dans ce cas, on considĂšre une des particules, la cible, est au repos,
Ξ
p
Lab
p
1p
4
3
Figure 3.3 Collision dans le repĂšre du laboratoire (cible fixe).
i.e. on peut assigner les impulsions suivantes
p1 = (E1Lab, 0, 0, p1Lab) (3.9)
p2 = (m2, 0, 0, 0) (3.10)
p3 = (E3Lab,p3Lab) (3.11)
p4 = (E4Lab,p4Lab) (3.12)
oĂč |p1| = p1Lab est lâimpulsion longitudinale dont la direction coĂŻncide avec lâaxe desz.
Alors
s = (p1 + p2)2
= p21 + p22 + 2p1 · p2= m2
1 +m22 + 2m2E1Lab (3.13)
t = (p3 â p1)2
= m21 +m2
3 â 2E1LabE3Lab
+2p1Lab |p3Lab| cos ΞLab (3.14)
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62 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
etE2
iLab = piLab +m2i pouri = 1, 2, 3, 4.
Il en découle que
E1Lab =sâm2
1 âm22
2m2
p1Lab =
âλ (s,m2
1,m22)
2m2.
Lâavantage de cette mĂ©thode est que puisque les variables de Mandelstam sont desinvariants de Lorentz et que lâĂ©nergie-impulsion est conservĂ©e, il est possible de calculerces quantitĂ©s indĂ©pendamment du rĂ©fĂ©rentiel.
La rapidité
La variable de rapiditĂ© est souvent utilisĂ©e pour reprĂ©senter le direction dâune parti-cule.
1. Lorsque le mouvement de la particule est identifiĂ© au systĂšmeSâČ, i.e. queSâČ corres-pond au systĂšme de la particule qui a une vitesseV = V k, alors les transformationsde Lorentz nous donnent
EâČ â pâČ3 = λ (E â p3)
EâČ + pâČ3 =1
λ(E + p3)
oĂčλ =â
(1+V )(1âV ) . Pour la particule au repos dansSâČ (pâČ3 = 0, EâČ = m), il est possible
de récrireλ comme suit
λ =E + p3EâČ =
EâČ
E â p3. (3.15)
La rapidité est alors
η = lnλ =1
2ln
(1 + V )
(1â V )
=1
2ln
E + |p|E â |p| (3.16)
puisquep3 = |p|. De plus, on a
E + |p| = meη
E â |p| = meâη
E = m coshη (3.17)
|p| = m sinh η.
2. En gĂ©nĂ©ral,p nâest pas parallĂšle Ă lâaxe du faisceau (i.e. lâaxeOz).Les composantes perpendiculaire,pT , et longitudinale de lâimpulsion,pL = p3, dela particule sont alors non-nulles. Il est toutefois possible dâidentifier le systĂšmeSâČ
3.2 Les interactions en mécanique quantique 63
avec une composantepâČL = 0 et on aura encore
λ2 =E + p3E â p3
η = lnλ =1
2ln
E + p3E â p3
(3.18)
oĂč cette fois-ciEâČ =
âm2 + p2T . (3.19)
Lâavantage dâutiliser la variable de rapiditĂ© devient Ă©vident lorsquâon effectue unetransformation de Lorentz parallĂšlement Ă pL. Cette transformation correspond Ă une diffĂ©rence de rapiditĂ© soit
ηb â ηa =1
2ln
Eb + pb3Eb â pb3
â 1
2ln
Ea + pa3Ea â pa3
=1
2ln
Eb + pb3Ea + pa3
· Eb â pb3Ea â pa3
(3.20)
mais cette diffĂ©rence est une quantitĂ© invariante de Lorentz, câest-Ă -dire
ηb â ηa =1
2ln
EâČb + pâČb3
EâČa + pâČa3
· EâČb â pâČb3
EâČa â pâČa3
. (3.21)
Sous la mĂȘme transformation, bien sĂ»r, la quantitĂ©pT est Ă©galement invariante.
3.2 Les interactions en mécanique quantique
Rappelons quelques notions de mécanique quantique:
âą les particules sont reprĂ©sentĂ©es par des Ă©tats|Ïă et,
âą les observables physiques sont des valeurs moyennes dâopĂ©rateurs,Q, qui agissentsur|Ïă
q = ăQă = ăÏ|Q |Ïă
=
â«dV ÏâQÏ.
oĂčdV est lâĂ©lĂ©ment de volume.
ConsidĂ©rons alors un processus dâinteraction. Celui-ci est caractĂ©risĂ© par:
1. un Ă©tat initial|iă qui dĂ©crit une ou plusieurs particules dont les impulsions se situententrepi etpi + dpi Ă un momentt â ââ (longtemps avant lâinteraction Ă t = 0),et,
2. un Ă©tat final|fă qui dĂ©crit une ou plusieurs particules dont les impulsions se situententrepf etpf + dpf Ă un momentt â â (longtemps aprĂšs lâinteraction ).
Le taux de transition est alors donné par:
Ï = 2Ï |ăf |V |iă|2 Ïf (Ef )
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64 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
oĂčV est lâHamiltonien des interactions, i.e.
H = H0 + V.
Ce rĂ©sultat est valide lorsqueV est suffisamment petit pour ĂȘtre traitĂ© comme une pertur-bation du systĂšme dont lâHamiltonien estH0 ayant des Ă©tats propres|iă et |fă. Ïf (Ef )est la densitĂ© dâĂ©tats finaux, câest Ă direÏf (Ef )dEf = nombre dâĂ©tats finaux dont lâĂ©-nergie se situe entreEf etEf + dEf .
On utilise gĂ©nĂ©ralement trois points de vue diffĂ©rents pour dĂ©crire lâĂ©volution de lavaleur moyenneq dans le temps:
1. Le point de vue de Schrödinger:Lepoint de vue de Schrödingerconsiste Ă inclure la dĂ©pendance temporelle deq danslâĂ©tat |Ïă. Alors
|Ïă = |Ï(t)ăSQ = QS indĂ©pendant det.
LâĂ©tat |Ï(t)ăS obĂ©it Ă lâĂ©quation de Schrödinger soit (~ = 1)
id
dt|Ï(t)ăS = H |Ï(t)ăS
oĂčH est lâopĂ©rateur Hamiltonien. SiH est indĂ©pendant du temps, lâĂ©quation prĂ©cĂ©-dente a pour solution
|Ï(t)ăS = T (t, t0) |Ï(t0)ăSoĂč lâopĂ©rateur dâĂ©volutionT sâĂ©crit
T (t, t0) = exp (âiH (tâ t0)) .
2. Le point de vue des interactions:Le point de vue des interactionsest plus utile pour dĂ©crire les interactions entre par-ticules. Dans ce cas, aussi bien les Ă©tats|Ï(t)ăI que les opĂ©rateurs peuvent avoir unedĂ©pendance temporelle. Le principal avantage de ce point de vue est quâilpermetde traiter sĂ©parĂ©ment la partie de lâHamiltonien qui causent les interactions (V dansnotre cas). Les reprĂ©sentations des Ă©tats sont reliĂ©es par une transformation unitaire
|Ï(t)ăI = eiH0t |Ï(t)ăSet la dĂ©pendance temporelle de lâĂ©tat|Ï(t)ăI sâĂ©crit
id
dt|Ï(t)ăI = âH0 |Ï(t)ăI + eiH0tHeâiH0t |Ï(t)ăI .
Mais
eiH0tHeâiH0t = eiH0t (H0 + V ) eâiH0t
= eiH0tH0eâiH0t + eiH0tV eâiH0t
= H0 + eiH0tV eâiH0t.
On dĂ©finit, du point de vue des interactions, lâopĂ©rateurVI tel que
VI(t) = eiH0tV eâiH0t
3.2 Les interactions en mécanique quantique 65
de sorte que
id
dt|Ï(t)ăI = âH0 |Ï(t)ăI + eiH0tHeâiH0t |Ï(t)ăI
= VI(t) |Ï(t)ăI .De façon gĂ©nĂ©rale, les reprĂ©sentations des opĂ©rateurs sont reliĂ©es par la transforma-tion unitaire suivante
QI(t) = eiH0tQeâiH0t
avec dépendance temporelle
id
dtQI(t) = [QI(t),H0]
qui ne dĂ©pend que de la partieH0 de lâHamiltonien.
3. Le point de vue de Heisenberg:Finalement, lepoint de vue de Heisenbergchoisit dâexclure toute dĂ©pendance tem-porelle de lâĂ©tat|Ïă, i.e.
|Ïă = |ÏăH indĂ©pendant det
Q = QH(t).
On note que la valeur moyenne de lâopĂ©rateur,q, doit ĂȘtre la mĂȘme dans tous lespoints de vue, notamment ceux de Schrödinger et de Heisenberg. Si on pose queles Ă©tats|Ï(t)ăS et |ÏăH coĂŻncident dans les deux reprĂ©sentations Ă lâinstantt0, i.e.|Ï(t0)ăS = |ÏăH etQS = QH(t0), il sâen suit queq (t)
ăÏ|QH(t) |ÏăH = ăÏ(t)|QS |Ï(t)ăS =
= ăÏ(t0)|Tâ1 (t, t0)QST (t, t0) |Ï(t0)ăS= ăÏ|Tâ1 (t, t0)QH(t0)T (t, t0) |ÏăI .
Donc, la dĂ©pendance temporelle de lâopĂ©rateurQ dans la reprĂ©sentation des interac-tions sâĂ©crit
QH(t) = Tâ1QH(t0)ToĂč ici, pour simplifier,T ⥠T (t, t0) . Par ailleurs,
id
dtQH(r, t) = i
d
dt
[Tâ1QH(t0)T
]
= i
dTâ1
dtQH(t0)T + Tâ1QH(t0)
dT
dt= i
[iHTâ1QH(t0)T â iTâ1QH(t0)TH
]
= â [HQH(t)âQH(t)H]
= [QH(t),H] . (3.22)
Puisque, dans cette reprĂ©sentation, toute la dĂ©pendance temporelle est contenue danslâopĂ©rateur, on conclut queles quantitĂ©s conservĂ©es sont associĂ©es Ă des opĂ©rateursqui commutent avec lâHamiltonien.
De façon plus gĂ©nĂ©rale, si lâopĂ©rateurQ dĂ©pend explicitement du temps dans la re-
© 1997 L. Marleau
66 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
présentation initiale, on écrit
idQ
dt= i
âQ
ât+ [Q,H] .
3.3 La matrice de diffusion, S
La matrice de diffusionS est un Ă©lĂ©ment important du traitement quantique des inter-actions. ConsidĂ©rons un Ă©tat|aă qui dĂ©crit une ou des particules Ă un momentta et un Ă©tat|bă qui dĂ©crit une ou des particules Ă un momenttb. La probabilitĂ© de trouver le systĂšmedans lâĂ©tat|bă, quand le systĂšme Ă©tait dans un Ă©tat|aă est donnĂ©e par|Cif (tb, ta)|2 oĂč
Cfi (tb, ta) = ăb|U (tb, ta) |aăavecU (tb, ta) un opĂ©rateur unitaire (Uâ U = I) puisquâil dĂ©crit lâĂ©volution temporellede lâĂ©tat|aă du momentta au momenttb oĂč il prend la forme de lâĂ©tat|bă . Cet opĂ©rateurvient directement de lâHamiltonien des interactionsV dans
H = H0 + V.
Dans les limites respectivesta â ââ et tb â +â, les Ă©tats|aă et |bă redeviennent desĂ©tats propres deH0 (e.g. des particules libres) quâon identifie aux Ă©tats initial|iă et final|fă. On dĂ©finit alors lâopĂ©rateurS comme la limite
S = U (+â,ââ) = limtaâââtbâ+â
U (tb, ta)
avec pour éléments de matrice
Sfi = ăf |U (+â,ââ) |iă = ăf |S |iăqui composent ce qui est appelĂ© la matrice de diffusionS.
La matriceS est unitaire. Cette importante propriĂ©tĂ© dĂ©coule de la conservation dela probabilitĂ©. ConsidĂ©rons la probabilitĂ© de trouver le systĂšme dans nâimporte quel Ă©tatfinal. Cette quantitĂ© doit ĂȘtre lâunitĂ©
1 =â
f
|Cfi (+â,ââ)|2
=â
f
ăf |S |iă ăf |S |iăâ
=â
f
ăi|Sâ |fă ăf |S |iă
= ăi|Sâ S |iăet doncS est unitaire
Sâ S = I.
Il est utile de séparer la matrice de la façon suivante
Sfi = ÎŽfi + iTfi (3.23)
= ÎŽfi + i (2Ï)4 ÎŽ4 (Pf â Pi)Mfi (3.24)
oĂč T est appelĂ©e la matrice de transition.Pf et Pi sont les quadri-vecteurs dâĂ©nergie-
3.4 Espace de phase 67
impulsion totale des Ă©tats final et initial et la fonction-ÎŽ
ÎŽ4 (Pf â Pi) = ÎŽ3 (Pf âPi) ÎŽ (Ef âEi) .
assure que ces quantitĂ©s sont conservĂ©es dans la diffusion. Dans lâexpression (3.23), onpeut facilement identifier la composante deSfi qui laisse lâĂ©tat initial intact i.e. le premiertermeÎŽfi. Par ailleurs, le second terme est responsable des transitions dâun Ă©tat|iversdes Ă©tats|fdistincts de|i(i.e. i = f). La probabilitĂ© de transition correspondantesâĂ©crit, pouri = f,
P = |Cfi (+â,ââ)|2
= |f |S |i|2= (2Ï)
8ÎŽ4 (Pf â Pi) ÎŽ
4 (0)â
f
|Mfi|2 .
De plus, il est possible dâĂ©crire
ÎŽ4 (p) =1
(2Ï)4
â«
d4xeip·x
ÎŽ4 (0) =1
(2Ï)4
â«
d4x =1
(2Ï)4Vt
oĂč V est le volume dâintĂ©gration. Il en dĂ©coule que le taux de transition par unitĂ© devolume macroscopique est donnĂ© par
Ïfi =P
Vt = (2Ï)4 ÎŽ4 (Pf â Pi)â
f
|Mfi|2 . (3.25)
Ce dernier rĂ©sultat requiert une somme sur les diffĂ©rents Ă©tats finaux. Il est toutefoisnĂ©cessaire de pondĂ©rer cette somme par lâespace de phase disponible.
3.4 Espace de phase
Une particule est dĂ©crite par sa position et son impulsion. Or, la probabilitĂ© de trouverune particule libre dans un Ă©lĂ©ment de volume de lâespace des positions et des impulsiond6V = d3xd3p est indĂ©pendante de la position et de lâimpulsion (invariance de Poin-carĂ©). Il en dĂ©coule que le nombre dâĂ©tats est proportionnel Ă lâĂ©lĂ©ment de volume, soit
# dâĂ©tats dansdV = dN =d3xd3p
(2Ï)3. (~ = 1)
Pour le cas de solutions de la forme onde plane (puisquâil sâagit ici de particules libres)
Ï = Aeip·x,
on peut choisir de normaliser la fonction dâonde de façon queâ«
d3xÏâÏ =
â«
d3x |A|2 = 1
sans nuire au caractÚre général du traitement qui suit.
AprĂšs intĂ©gration sur les espaces des positions et des impulsions, le nombre dâĂ©tats
© 1997 L. Marleau
68 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
devient
# dâĂ©tats=â«
dN =1
(2Ï)3
â«
d3p.
On dĂ©finit la densitĂ© dâĂ©tats par unitĂ© dâĂ©nergie,Ï (E) , comme le nombre dâĂ©tats ayantune Ă©nergie entreE etE + dE
Ï (E) =dN
dE=
1
(2Ï)3d
dE
â«
d3p
=1
(2Ï)3p2 dp
dE
â«
dΩ
oĂčdΩ est lâĂ©lĂ©ment dâangle solide.Mais lâĂ©lĂ©ment de volumed3p dans lâespace des impulsions nâest pas un invariant de
Lorentz alors que la quantitĂ©d3pE lâest. ConsidĂ©rons plutĂŽt un espace de phase invariant
de Lorentz que lâon peut rĂ©crire sous la formeâ«
dN =
â«
d3p
2E(2Ï)3
=
â«
d3p
(2Ï)3
â«
dE
(2Ï)· 2ÏÎŽE2 â p2 âm2Ξ (E)
=
â«
d4p
(2Ï)4· 2ÏÎŽp2 âm2Ξ (p0) (3.26)
oĂč la fonction-ÎŽ reflĂšte la relation masse-Ă©nergie pour des particules relativistes etΞ estla fonction de Heaviside
Ξ (p0) =1 pourp0 > 00 pourp0 < 0
Elle assure que seules les configurations ayant une Ă©nergie positive contribueront commeil se doit. Cet espace de phase reprĂ©sente la probabilitĂ© de trouver une particule libre avecune impulsion entrep” et p” + dp”. Lâespace de phase (3.26) gĂ©nĂ©ralisĂ© Ă n particulesindĂ©pendantes sâĂ©crit alors
dNtot = dN1dN2dN3 · · · dNn
=nâ
j=1
d4pj(2Ï)4
· 2ÏÎŽp2j âm2jΞ (pj0) . (3.27)
3.5 Section efficace
La section efficace est une mesure de la probabilitĂ© dâun processus de diffusion. In-tuitivement, elle correspond Ă la surface perpendiculaire au flux des projectiles qui dĂ©critla zone dâinteraction autour de la cible. Si lâinteraction est plus forte, la zone dâinterac-tion â ou la section efficace â augmente et la probabilitĂ© de diffusion en est dâautantplus Ă©levĂ©e(voir figure 3.4). LâunitĂ© de section efficace couramment utilisĂ©es est lebarn dĂ©finit comme suit
1 barn = 10â24cm2 = 10â28m2
= 2568 GeVâ2 (dans les unitĂ©s naturelles).
3.5 Section efficace 69
Ï
Figure 3.4 La section efficace dâune rĂ©action.
© 1997 L. Marleau
70 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
ConsidĂ©rons la diffusion mettant en jeu deux particules initiales etn â 2 particulesfinales (voir figure 3.5):
1 + 2 â 3 + 4 + · · ·+ n (3.28)Le calcul de la section efficace met en jeu le taux de transition (3.25) pondĂ©rĂ© par
p
1
2n
3
p
pp
p
p
4
5
Figure 3.5 Collision de deux particules.
lâespace de phase disponible (3.27). En gĂ©nĂ©ral, on connaĂźt les Ă©nergies et impulsions desparticules initiales (e.g. faisceau quasi-monochromatique de particules dans un accĂ©lĂ©-rateur). Lâespace de phase pournâ 2 particules finales doit par contre ĂȘtre incluse
dN3dN4 · · · dNn =nâ
f=3
d4pf(2Ï)4
· 2ÏÎŽp2f âm2fΞ (pf0)
si bien que le taux de transitionpondéréest donné par
Ïfi =P
Vt = (2Ï)4f
ÎŽ4 (Pf â Pi) |Mfi|2 · dN3dN4 · · ·dNn.
Pour une densitĂ© de flux de particules initialesÏ (# de particules par unitĂ© de tempset de surface), la section efficace diffĂ©rentielle sâĂ©crit
dÏ =Ïfi
Ï.
Le flux est proportionnel Ă la vitesse relative projectile-cible, câest-Ă -dire
|v1 â v2| =p1
E1â p2
E2.Dans le systĂšme du laboratoire
|v1 â v2| =p1Lab
E1=λ (s,m2
1,m22)
2m2E1
oĂčE2Lab = m2.
Cependant, le flux, qui sâĂ©crit dans le systĂšme du laboratoireÏ = 2E1·2E2·|v1 â v2|,est un invariant de Lorentz de la forme
Ï = 2λ (s,m2
1,m22)
= 2(p1 · p2)2 âm2
1m22.
3.5 Section efficace 71
Finalement, la section efficace est donnée par
Ï(1 + 2 â 3 + 4 + · · ·+ n) =1
2â
λ (s,m21,m
22)
â«
nâ
f=3
d4p
(2Ï)4· 2ÏÎŽp2f âm2
fΞ (pf0)· (2Ï)4 ÎŽ4 (Pf â Pi) |Mfi|2
Dans les cas de processus non polarisés, (en général les faisceaux des particules initialesne sont pas polarisés), on substitue
|Mfi|2 ââi
f
|Mfi|2
oĂčâ
i etâ
f signifient respectivement la moyenne sur les Ă©tats de spin possibles desparticules initiales et la somme sur les Ă©tats de spin des particules finales.
Diffusion (4-corps)
1
p2
4
3
p
pp
Processus Ă quatre corps.
Rappelons les définitions des variables de Mandelstam pour les systÚme à 4 corps:
s ⥠(p1 + p2)2= (p3 + p4)
2
= m21 + 2E1E2 â 2p1 · p2 +m2
2
t ⥠(p3 â p1)2= (p4 â p2)
2
= m21 â 2E1E3 + 2p1 · p3 +m2
3
u ⥠(p3 â p2)2 = (p4 â p1)
2
= m21 â 2E1E4 + 2p1 · p4 +m2
4.
Alors la section efficace du proscessus sâĂ©critdÏ
dt=
1
64Ïs
1
|p1CM|2|Mfi|2 .
Des limites cinĂ©matiques sâappliquent: dans le centre de masse,
t = (E1CM âE3CM)2 â (|p1CM| â |p3CM|)2
â4 |p1CM| |p3CM| sin2ΞCM
2
© 1997 L. Marleau
72 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
= t0 â 4 |p1CM| |p3CM| sin2ΞCM
2oĂčΞCM est lâangle entrep1CM etp3CM et
t0 = (E1CM âE3CM)2 â (|p1CM| â |p3CM|)2
La variablet ne peut prendre que des valeurs entre
t(ΞCM = Ï) = t1 †t †t0 = t(ΞCM = 0)
oĂč
t0 (t1) =
[
m21 âm2
2 âm23 +m2
4
2âs
]
â (|p1CM| â |p3CM|)2 .
3.6 Largeur de désintégration et vie moyenne
Le traitement est similaire pour un processus de désintégration (voir figure 3.6):
1 â 2 + 3 + · · ·+ n
La mesure de probabilitĂ© dâune dĂ©sintĂ©gration sâexprime en terme de sa largeur de dĂ©-
n
1
2
p
p
p
p
p
3
4
Figure 3.6 DĂ©sintĂ©gration dâune particule en nâ 1 particules finales.
sintĂ©grationÎ. Cette quantitĂ© reprĂ©sente la largeur Ă demi-hauteur du pic dans le spectredâĂ©nergie de la dĂ©sintĂ©gration. LâinterprĂ©tation physique de cette quantitĂ© est directementreliĂ©e Ă lâincertitude dans la mesure de la masse (ou lâĂ©nergie). On sait que le principedâincertitude Ă©tablit un lien entreâE etât, les incertitudes dans la mesure de lâĂ©nergieet du temps:
âE ·ât â„ 1
Π· Ï â„ 1
PuisqueâE â Î etât â Ï , la vie moyenne de la particule, il est naturel de retrouverla relation
Î = Ïâ1.La largeur de dĂ©sintĂ©grationÎ est calculĂ©e en fonction des Ă©lĂ©ments de la matrice de
3.6 Largeur de désintégration et vie moyenne 73
transition et de lâespace de phase disponible, i.e.
Ïâ1 = Î(1 â 2 + 3 + · · ·+ n) =1
2m1
â«
nâ
f=2
d4pf(2Ï)4
· 2ÏÎŽp2f âm2fΞ (pf0)
· (2Ï)4 ÎŽ4 (Pf â Pi) |Mfi|2 .Pour des particules non polarisĂ©es on substitue|Mfi|2 ââ â
i
â
f |Mfi|2 dans lâĂ©qua-tion prĂ©cĂ©dente. Cette expression permet de calculer la vie moyenne,Ï .
Si une particule de massem1 et dâĂ©nergie-impulsion(E1,p1)possĂšde une vie moyenneÏ = 1
Î , alors la probabilitĂ© quâelle survive pendant un tempsât ou plus est donnĂ©e par
P (ât) = eÎâtÎł = e
m1Îât
E1
et la probabilitĂ© quâelle parcourt une distanceâx ou plus est
P (ât) = em1Îâxt
|p1| .
Désintégration en 2 corps
1
2
p
p
p
3
Dans une désintégration en 2 corps la cinématique est trÚs simple:
E2 =m2
1 âm23 +m2
2
2m1
|p2| = |p3|
=
m2
1 â (m2 +m3)2m2
1 â (m2 âm3)212
2m1
La largeur de désintégration se simplifie pour donner
dÎ =1
32Ï2
|p2|m1
|Mfi|2 dΩ
oĂčdΩ2 = dÏ2d (cos Ξ2) associĂ© Ă la particule 2.
© 1997 L. Marleau
74 Chapitre 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES
Désintégration en 3 corps
1
2
p
p
p
p3
4
Dans une rĂ©action impliquant trois particules finales, lâespace de phase combinĂ©e Ă la fonction-ÎŽ de la matrice de transition donne
Ntot =
â«
4â
f=2
d4pf(2Ï)4
· 2ÏÎŽp2f âm2fΞ (pf0) · (2Ï)4 ÎŽ4 (Pi â Pf )
oĂčPf =â
f pf = p2 + p3 + p4 etPi = p1.
Posons les invariants
s24 = (p2 + p4)2 , s34 = (p3 + p4)
2 .
En insérant les relations
1 =
â«
ds24ÎŽs24 â (p2 + p4)21 =
â«
ds34ÎŽs34 â (p3 + p4)2
dansNtot, on obtient
Ntot =
â«
4â
f=2
d4pf(2Ï)4
· 2ÏÎŽp2f âm2fΞ (pf0) · (2Ï)4 ÎŽ4 (p1 â p2 â p3 â p4)
·â«
ds24ÎŽs24 â (p2 + p4)2â« ds34ÎŽs34 â (p3 + p4)
2.Les fonctions-ÎŽ permettent dâintĂ©grer sur les Ă©nergiesp20, p30, etp40 et sur lâimpulsionp4:
Ntot =
â«
d3p2d3p3
(2Ï)58E2E3E4· ds24ds34 · ÎŽ (E1 âE2 âE3 âE4)
·Ύs24 â (p2 + p4)2ÎŽs34 â (p3 + p4)
2.oĂč
p4 = p1 â p2 â p3,
pf0 = Ef =â
p2f +m2
f .
Dans le repĂšre du centre de masse,p1 = 0, E1 =âs = m1. On peut donc Ă©crire
d3p2 = 2Ï |p2|2 d |p2| d cos Ξ23,d3p3 = 4Ï |p3|2 d |p3| ,
3.6 Largeur de désintégration et vie moyenne 75
oĂčΞ12 est lâangle entrep1 etp2 et on a intĂ©grer sur trois angles dont lâespace de phasedĂ©pend trivialement. Lâexpression ci-haut devient
Ntot =
â«
d |p2|d |p3| d cos Ξ23 · ds24ds34 ·|p2|2 |p3|2
4(2Ï)3E2E3E4
·ΎâsâE2 âE3 âE4ÎŽs24 â (p2 + p4)2ÎŽs34 â (p3 + p4)
2.Utilisant un changement de variables en faveur deE2, E3 etE4,
d |p2| d |p3| d cos Ξ23 = J · dE2dE3dE4
oĂčJ est le Jacobien de la transformation,
J =â (|p2| , |p3| , cos Ξ23)
â (E2, E3, E4)=
E2E3E4
|p2|2 |p3|2
Les intégrales surE1, E2 etE3 sont triviales et on obtient
dNtot =1
16(2Ï)3m21
ds24ds34 =1
4(2Ï)3dE2dE4 (3.29)
ou
dÎ =1
(2Ï)31
32m31
ds24ds34 =1
(2Ï)31
8m1dE2dE4 (3.30)
Le dernier rĂ©sultat est significatif: lâespace de phase est indĂ©pendant des24 ets34. Donc,Ă moins quâil y ait une dĂ©pendance explicite de la matrice de transition en fonction des24 et s34 comme dans le cas de pics Ă la Breit-Wigner, la distribution des Ă©vĂ©nementssuivant les masse invariantess24 ets34 doit ĂȘtre uniforme.
Par ailleurs, seule une rĂ©gion dans lâespace dess24 et s34 est cinĂ©matiquement per-mise: pour une valeur des24 donnĂ©e,s34 est minimum ou maximum lorsquep3 etp4
sont parallĂšles ou anti-parallĂšles:
(s34)min = (EâČ3 +EâČ
4)2 ââEâČ2
3 âm23 â
â
EâČ24 âm2
42(s34)max = (EâČ
3 +EâČ4)
2 ââEâČ23 âm2
3 +â
EâČ24 âm2
42 (3.31)
oĂčEâČ3 etEâČ
4 sont les énergies des particules 3 et 4 dans le référentiel du CM des particules2 et 4
EâČ3 =
s24 âm22 âm2
4
2âs24
EâČ4 =
m21 â s24 âm2
3
2âs24
. (3.32)
(voir figure??)
© 1997 L. Marleau
76 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
( s34)max
s24
s34 (m âm3)2
1
(m2+m4)2
(m3+m4)2( s34)min
(m âm2)21
Diagramme de Dalitz: espace de phase disponible dans une désintégration à trois corps.
4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
La premiĂšre Ă©tape de toute analyse scientifique en est une de classification des Ă©lĂ©-ments et des processus qui font partie de cette analyse. En physique des particules, cetteclassification a tout dâabord consistĂ© Ă dĂ©terminer lesquels des processus possibles Ă©taientpermis et lesquels Ă©taient interdits. AprĂšs une Ă©tude exhaustive, il fut possible de classi-fier les particules en leur associant des nombres quantiques et de dĂ©terminer des lois deconservation qui devaient (ou non) ĂȘtre respectĂ©es durant un processus dâinteraction. Parailleurs, il est important de mentionner que toute classification ou loi de conservation im-plique la prĂ©sence de symĂ©tries. Ces symĂ©tries jouent un rĂŽle crucial dans lâĂ©laborationdu ModĂšle Standard des particules Ă©lĂ©mentaires.
4.1 Symétries en mécanique quantique
Lorsquâon effectue une transformation physique sur lâappareillage pendant une expĂ©-rience sur un systĂšme, et que le rĂ©sultat demeure inchangĂ©, on dit que le systĂšme Ă©tudiĂ©est invariant sous cette transformation.
Le traitement de cette transformation en mĂ©canique quantique requiert que celle-cisoit une transformation unitaire. Cette condition est essentielle pour que lâobservable,i.e. la valeur moyenne dâun opĂ©rateur, reste le mĂȘme. Par exemple, si la transformationa pour effet de modifier notre perception de lâĂ©tat initial et final dâun processus, on peutĂ©crire
|iâČ= U |i|f âČ= U |f
oĂč U reprĂ©sente la transformation unitaire sur les Ă©tats. La transition de lâĂ©tat initial Ă lâĂ©tat final requiert la matrice-S et, puisque le rĂ©sultat demeure inchangĂ©, les Ă©lĂ©mentsde matrice sont invariants sous la transformation
f |S |i=f âČ|S |iâČ=f |Uâ SU |i
ce qui implique que lâopĂ©rateur de transformationU commute avec la matrice-S
[S,U ] = 0. (4.1)
78 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
Comme la matrice-S est reliĂ© Ă lâHamiltonien,U doit aussi commuter avec ce dernier
[H,U ] = 0, (4.2)
pour que le systĂšme soit invariant. Rappelons lâexpression (3.22) qui implique que, si telest le cas, on peut associer Ă la transformationU une quantitĂ© conservĂ©e. La conclusionprĂ©cĂ©dente peut ĂȘtre formulĂ©e sous la forme plus gĂ©nĂ©rale du thĂ©orĂšme de Noether pourla mĂ©canique quantique:
Theoreme 4.1 ThĂ©orĂšme de Noether:Ă toute transformation qui laisse invariantes les Ă©quations de mouvement ou autrementdit, qui commute avec lâHamiltonien, on peut associer une quantitĂ© conservĂ©e.
Plus schématiquement:
Invariance des Ă©quations de mouvementm
OpĂ©rateur commute avec lâHamiltonienm
SymĂ©trie de lâHamiltonienm
Quantité conservée.
LâopĂ©rateur de transformation Ă©tant unitaire, il peut sâĂ©crire
U = eiΔA
oĂčA est hermitique. Dâautre part, on identifie deux types de transformation et/ou symĂ©-trie:
1.U est une transformation continue (e.g. translation, rotation):On peut, dans ce cas, examiner lâeffet dâune transformation infinitĂ©simale (Δ âȘ 1)
U = eiΔA â 1 + iΔA.
Si la transformation laisse les observables physiques invariantes, le commutateur(4.1) entraĂźne
[S,A] = 0ce qui implique que lâobservable associĂ©e Ă A est conservĂ©e. Par ailleurs, considĂ©ronsdes Ă©tats initial et final qui sont des Ă©tats propres de lâopĂ©rateurA
A |iă = ai |iă
A |fă = af |fă ,
le commutateur[S,A] Ă©tant nul, la valeur moyenne
ăf | [S,A] |iă = 0
est aussi nulle, ce qui implique
(af â ai) ăf |S |iă = 0
oĂč(af â ai) = 0 si ăf |S |iă 6= 0.
Autrement dit, les valeurs propres deA sont conservĂ©es durant la transition|iă â |fă.LâopĂ©rateurA dĂ©finit donc une constante du mouvement.
4.2 Invariance sous une translation 79
2.U est une transformation discrĂšte (e.g. paritĂ©, conjugaison de charge,...):Dans ce cas, une action double de lâopĂ©rateur de transformation laisse le systĂšmeinvariant, i.e.
U2 |Ïă = |ÏăSiU a des Ă©tats propres|ÏU ă dont les valeurs propres sont dĂ©finies comme suit
U |ÏU ă = ηU |ÏUă
U2 |ÏU ă = (ηU)2 |ÏUă
oĂčηU sont les valeurs propres tel que
ηU = ±1.
U est alors hermitique etηU sont les observables.
La discussion qui prĂ©cĂšde peut aussi ĂȘtre gĂ©nĂ©ralisĂ©e aux symĂ©tries internes de lâHa-miltonien comme nous le verrons plus loin.
4.2 Invariance sous une translation
Les propriĂ©tĂ©s dâune particule libre ne dĂ©pendent pas de sa position. En effet, lesĂ©quations de mouvement associĂ©es sont invariantes sous une translation. Lâeffet dâunetranslation infinitĂ©simale,x â x+ ÎŽx, sur la fonction dâonde est
Ï(x) â ÏâČ(x) = Ï(x+ÎŽx)
= Ï(x) + ÎŽx·âÏ(x)
âx
=
(
1 + ÎŽx ·â
âx
)
Ï(x)
⥠DÏ(x)
ouD est lâopĂ©rateur infinitĂ©simal (ou le gĂ©nĂ©rateur) de la translation
D âĄ
(
1 + ÎŽx ·â
âx
)
.
Une translation finie dans lâespace parâx sâobtient par une action rĂ©pĂ©tĂ©e de lâopĂ©rateurde translation infinitĂ©simale, soit
Df ⥠limnââ
Dn = limnââ
(
1 +âx
n·â
âx
)n
= exp (âip·âx)
oĂčâx = limnââ nÎŽx et,p = i ââx est donc le gĂ©nĂ©rateur de translation. Il en dĂ©coule
queInvariance sous translation 3D
m[D,H] = 0 =â [Df ,H] = 0 =â [p,H] = 0
mp est une quantité conservée.
Il est facile de généraliser ce résultat à un systÚme invariant sous une translation
© 1997 L. Marleau
80 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
en quatre dimensions, i.e. dans lâespace-temps, en substituant dans le calcul prĂ©cĂ©dentx â x” etp â p”. On obtient
Invariance sous translation 4Dm
[p”,H] = 0m
p” est une quantité conservée.
4.3 Rotation en trois dimensions
ConsidĂ©rons maintenant un systĂšme dont les Ă©quations de mouvement sont inva-riantes sous une rotation. Lâeffet dâune rotation infinitĂ©simale autour de lâaxe desz, setraduit par le changement de variableÏ â Ï + ÎŽÏ (en coordonnĂ©es sphĂ©riques) dontdĂ©pend la fonction dâonde:
Ï(Ï) â ÏâČ(Ï) = Ï(Ï+ ÎŽÏ)
= Ï(Ï) + ÎŽÏ·âÏ(Ï)
âÏ
=
(
1 + ÎŽÏ Â·â
âÏ
)
Ï(Ï)
⥠RÏ(Ï)
ouR est lâopĂ©rateur infinitĂ©simal (ou le gĂ©nĂ©rateur) de la rotation
R âĄ
(
1 + ÎŽÏ Â·â
âÏ
)
.
Une rotation finie dans lâespace parâÏ sâobtient par une action rĂ©pĂ©tĂ©e de lâopĂ©rateurde rotation infinitĂ©simale, soit
Rf ⥠limnââ
Rn = limnââ
(
1 + ÎŽÏ Â·â
âÏ
)n
= exp (âiJz·âÏ)
oĂčâÏ = limnââ nÎŽÏ. LâopĂ©rateur de moment angulaire,Jz = i ââÏ = i
(
x âây â y â
âx
)
est donc le gĂ©nĂ©rateur de rotation autour de lâaxe desz. Il en dĂ©coule que
Invariance sous rotation autour deOzm
[R,H] = 0 =â [Rf ,H] = 0 =â [Jz,H] = 0m
Jz est une quantité conservée.
Un systĂšme Ă symĂ©trie sphĂ©rique est invariant sous une rotation autour de nâimporte quel
4.4 Parité 81
axe et par conséquent
Invariance sous rotation arbitrairem
[J,H] = 0m
J est une quantité conservée.
Il est Ă noter queJ est lâopĂ©rateur de moment angulaire total. Lorsque le spin dâuneparticule est non nul
J = L+ S
oĂčL est le moment angulaire orbital etS est celui de spin. Lâinvariance sous rotation im-plique la conservation deJmais ne signifie pas nĂ©cessairement queL etS sont conservĂ©ssĂ©parĂ©ment. De plus, en mĂ©canique quantique, toutes les composantes du moment angu-laire ne commutent pas entre-elles et donc seulement|J|2 etJz sont observables simul-tanĂ©ment.
4.4 Parité
La transformation correspondant Ă une rĂ©flexion dans lâespace,
x â xâČ = âx,
dĂ©finit lâopĂ©rateur de paritĂ© (unitaire discret) sur une fonction dâonde
Ï(t,x) â ÏâČ(t,x) = PÏ(t,x) = Ï(t,âx).
Pour des fonctions propres deP,
PÏP (t,x) = ηPÏP (t,x)
oĂčηP etÏP sont les valeurs et les fonctions propres respectivement. Puisque aprĂšs deuxrĂ©flexions
P2ÏP (t,x) = ÏP (t,x)
= η2PÏP (t,x),
les valeurs propresηP correspondant à la parité prennent les valeurs
ηP
+1 pourÏP (t,x) paireâ1 pourÏP (t,x) impaire.
Remarque 4.1
i En gĂ©nĂ©ral, la fonction dâonde dâune particule ou dâun systĂšmeÏ(t,x) nâest pas unefonction propre deP et sa paritĂ© nâest pas dĂ©finie.
© 1997 L. Marleau
82 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
Les quantitĂ©s ou opĂ©rateurs suivants se transforment sous lâopĂ©rateur de paritĂ©
QuantitĂ© P(QuantitĂ©)t tx âx
p âp
Ï,J,L Ï,J,LE âE
B B.
Les quantitĂ©s vectorielles qui ne changent pas de signe (e.g.Ï, J, L,...) sous lâopĂ©rateurde paritĂ© sont appelĂ©esaxialesoupseudo-vecteursalors que des quantitĂ©s scalaires quichangent de signe (e.g.p · Ï, x · L,...) sous lâopĂ©rateur de paritĂ© sont appelĂ©espseudo-scalaires.
Un systÚme (ou des interactions) qui conserve la parité est décrit par un Hamiltonienqui commute avecP,
[P,H] = [P, S] = 0.On observe que la parité est conservée dans les interactions électromagnétique et forte.Par ailleurs, les interactions faibles ne respectent pas cette symétrie.
[P,He.m.] = [P,Hfortes] = 0
[P,Hfaibles] 6= 0.
Parité orbitale
Dans le cas dâun atome, dâĂ©tats liĂ©s ou de particules qui interagissent, la fonctiondâonde du systĂšmeÏ peut ĂȘtre dĂ©crite en termes des harmoniques sphĂ©riques
Ï(r, Ξ, Ï) = R(r)Ylm(Ξ, Ï)
oĂč
Ylm(Ξ, Ï) =(â)m
4Ï
â(2l + 1) (l âm)!
(l +m)!Pml (cos Ξ)eimÏ.
Sous rĂ©flexion dans lâespace,x â âx ou, en coordonnĂ©es sphĂ©riques
(r, Ξ, Ï) â (r, Ξ â Ï, Ï+ Ï)
et
Pml (cos Ξ) â Pm
l (cos(Ξ â Ï)) = (â)l+mPml (cos Ξ)
eimÏ â eim(Ï+Ï) = (â)meimÏ
si bien que pour les harmoniques sphériques
PYlm(Ξ, Ï) = (â)lYlm(Ξ, Ï)
le moment angulaire orbitall de lâĂ©tat dĂ©termine la paritĂ© orbitale. Ainsi
ηP
+1 pour des Ă©tatsl = 0, 2, 4, ...(i.e.s, d, g, ...)â1 pour des Ă©tatsl = 1, 3, 5, ...(i.e.p, f, h, ...).
4.4 Parité 83
Parité intrinsÚque
IndĂ©pendamment de la paritĂ© orbitale dâun systĂšme, chaque particule qui le composepeut possĂ©der une paritĂ© intrinsĂšque si sa fonction dâonde est une fonction propre delâopĂ©rateur de paritĂ© (voir table des particules en Appendice). On classifie ces particulesselon la nomenclature suivante:
Spin= 0 Spin= 1ηP = +1 scalaire axialeηP = â1 pseudo-scalaire vectorielle
Le photon, par exemple, dont la représentation en théorie quantique des champs coïn-cide avec le concept de potentiel vecteur,A, est une particule vectorielle, i.e. de spin 1et de parité négative.
Conservation de la parité totale
La paritĂ© est un nombre quantiquemultiplicatif. Par cela, on entend que la loi deconservation de la paritĂ© sâapplique au produit des paritĂ©s. Pour mettre en lumiĂšre cettepropriĂ©tĂ©, il convient dâexaminer tout dâabord un systĂšme de particules libres. Dans cecas, lâĂ©tat initial du systĂšme est reprĂ©sentĂ© par le produit
|iă = |aă · |bă · · · |nă
si bien que si chacune des particules a une parité intrinsÚque définie, alors la parité totale,ηiP , est le produit des parités intrinsÚques
P |iă = P (|aă · |bă · · · |nă)
= ηaP |aă · P (|bă · · · |nă)
= ηaP ηbP · · · ηnP · |aă · |bă · · · |nă
= ηaP ηbP · · · ηnP |iă
ouηiP = ηaP η
bP · · · ηnP .
De la mĂȘme façon, pour un Ă©tat final formĂ© de
|fă = |pă · |qă · · · |ză
on a la parité totaleηfP = ηpP η
qP · · · ηzP .
La loi de conservation de la paritĂ© dans ce cas sâĂ©crit
ηiP = ηfP .
Par ailleurs, si deux particules interagissent, le mouvement relatif de lâĂ©tat est dĂ©crit parune fonction du typeR(r)Ylm(Ξ, Ï) dont les propriĂ©tĂ©s de paritĂ© sont dĂ©crites plus haut.La paritĂ© totale de ce systĂšme simple est alors
ηiP = (â)lηaPηbP .
© 1997 L. Marleau
84 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
De façon gĂ©nĂ©rale, la paritĂ© totale sâĂ©crit
ηtotaleP =
(â
a
ηaP
)· ηorbitale
P .
Le calcul de la parité orbitale du systÚme,ηorbitaleP , est toutefois plus complexe pour des
systĂšmes de plus de deux particules.
Parité des antiparticules
Il est facile de démontrer que
ηP (boson) = ηP (antiboson)
ηP (fermion) = âηP (antifermion).
Par convention, on choisitηP (fermion) = 1 etηP (antifermion) = â1.
ConsidĂ©rons le cas des fermions. LâĂ©quation de Dirac qui dĂ©crit la particule et lâanti-particule
(iγ”â” âm)Ï (t,x) = 0devient sousP
(iγ”â” âm)Ï (t,âx) = 0iÎł0â0 â iÎłiâi âmÏ (t,âx) = 0.
En multipliant cette expression parÎł0 et en utilisant la relation dâanticommutationγ”, ÎłÎœ =2g”Μ on obtient
iÎł0â0 + iÎłiâi âmÎł0Ï (t,âx) = 0.
MaisÎł0 est en fait lâopĂ©rateur de paritĂ© pour les fonctions dâonde de Dirac, i.e.Îł0Ï (t,âx) =Ï (t,x). Plus prĂ©cisĂ©ment, les Ă©tats dâĂ©nergie positive et de spin±1
2 , et les Ă©tats dâĂ©nergienĂ©gative et de spin±1
2 sont représentés par
u1 =
1000
, u2 =
0100
, v1 =
0010
, v2 =
0001
qui se transforment sousP
Îł0u1 =
1000
, Îł0u2 =
0100
, Îł0v1 = â
0010
, Îł0v2 = â
0001
dâoĂč on tire que les fermions ont une paritĂ© positive et les antifermions, une paritĂ© nĂ©ga-tive.
Un état lié fermion-antifermion dans un état avec un moment angulaire orbitallf auraune parité
ηtotP = (â)
lf ηfPηfP .
4.4 Parité 85
Exemples
Exemple 4.1Le positronium est un Ă©tat formĂ© dâune paire Ă©lectron-positron. Il existe sous deux formes: leparapositronium (lf = 0) et lâorthopositronium (lf = 1) dont les paritĂ©s sont respectivement
ηparaP = â1
ηorthoP = +1.
Exemple 4.2Les hadrons sont des Ă©tats liĂ©s de quarks. Les mĂ©sons sont formĂ©s de paires quark-antiquark telqueqiqj oĂč i, j indiquent les saveurs de quarks. Alors, la paritĂ© des mĂ©sons est donnĂ©e par
ηmĂ©sonP = (â)l ηq
P ηqP = (â)l+1
oĂč l est le moment angulaire orbital entre les quarks. Les mĂ©sons de plus basse Ă©nergie (l = 0)devraient donc avoir une paritĂ© nĂ©gative ce qui est le cas pour les mĂ©sonsÏ, K, etD. Par ailleurs,les baryons sont des Ă©tats Ă trois quarks tel queqiqjqk dont la paritĂ© totale est
ηbaryonP = (â)l1,2 (â)l12,3 ηqi
P ηqjP η
qkP = (â)l1,2+l12,3 .
Ici la parité orbitale reçoit deux contributions: la premiÚre est due au moment angulaire orbitalentre les quarks 1 et 2 ,l1,2, et la seconde vient du moment angulaire orbital entre le centre demasse du systÚme formé des quarks 1 et 2 et le quark 3,l12,3. Les antibaryonsqiqj qk ont bien sûrla parité
ηantibaryonP = (â)l1,2 (â)l12,3 η~qi
P ηqjP η
qkP = (â)l1,2+l12,3+1
= âηbaryonP .
Les baryons de plus basse énergie (l1,2 = l12,3 = 0) devraient donc avoir une parité positive cequi concorde avec les observation pour les baryons de spin1
2tels quep, n,Î,Îc.
Exemple 4.3Considérons un systÚme de deux pions dans des étatss (l = 0) etp (l = 1): la parité totale est
l = 0 : ηtotaleP = (â)l (ηÏ
P )2 = 1
l = 1 : ηtotaleP = (â)l (ηÏ
P )2 = â1.
Exemple 4.4Considérons la réaction suivante impliquant des particules sans spin:
1 + 2 â 3 + 4.
La conservation de la parité implique alors
ηiP = (â)lη1
P η2P = (â)l
âČ
η3P η
4P = η
fP .
Si le moment angulaire est conservĂ© dans le processus, alorsl = lâČ et
η1P η
2P = η
3P η
4P
De plus, si les particules initiales sont des particules identiques, par exemple dans la rĂ©actionÏ +Ï â 3 + 4
η3P η
4P = 1
et donc seuls deux cas sont possibles
η3P = η4
P = +1 les états 3 et 4 sont tous deux des scalairesη3P = η4
P = â1 les Ă©tats 3 et 4 sont tous deux des pseudo-scalaires.
1997 L. Marleau
86 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
4.5 Inversion du temps
LâopĂ©rateur dâinversion du temps, T
La transformation dâinversion du temps,T , est lâanalogue temporelle de la rĂ©flexionde lâespace. Elle correspond Ă regarder un systĂšme alors que le temps dĂ©file Ă rebours:
t â tâČ = ât
x â xâČ = x
On dĂ©finit lâopĂ©rateur dâinversion du temps,T , sur une fonction dâonde par
Ï(t,x) â ÏâČ(t,x) = T Ï(t,x) = Ï(ât,x).
Les quantitĂ©s ou opĂ©rateurs suivants se transforment sous lâopĂ©rateur dâinversion dutemps
QuantitĂ© T (QuantitĂ©)t âtx x
p âp
Ï,J,L âÏ,âJ,âL
E E
B âB.
Toutefois, malgrĂ© lâanalogie entreT etP, il est facile de dĂ©montrer queT ne peutĂȘtre un opĂ©rateur unitaire. La relation de commutation
[xi, pj ] = iÎŽij (4.3)
devient[xi, pj ] = âiÎŽij
sousT et nâest donc pas invariante. La transformationT ne peut donc pas ĂȘtre unitaire.Ceci a pour consĂ©quence queT ne possĂšde pas de valeurs propres et quâon ne peut yassocier des observables.
RedéfinissonsT en la combinant à une transformationanti-unitaire (qui transformeun nombre complexe en son complexe conjugué) tel que
T :
xi â T xiT â1 = xipj â T pjT â1 = âpj
i â âi,
et queT laisse la relation de commutation (4.3) intacte alors cette transformation laisseaussi invariante la relation de commutation
[Ji, Jj ] = iΔijkJk
puisqueT JT â1 = âJ.
Lâinvariance des interactions sous la transformationT implique plus formellement
4.5 Inversion du temps 87
queTHT â1 = H â T ST â1 = S
et donc que la matrice de transition se transforme comme
T TT â1 = T â .
Une observable est invariante si
ăf(t)|T |i(t)ă = ăf(t)| T â1(T TT â1
)T |i(t)ă
= ăf(ât)|T â |i(ât)ăâ
= ăi(ât)|T |f(ât)ă .
ce qui dĂ©crit exactement les Ă©lĂ©ments de matrice de transition pour le processus inverse.La forme exacte de lâexpression prĂ©cĂ©dente pour des Ă©tats initiaux caractĂ©risĂ©s par
leurs impulsionspi, leurs troisiÚmes composantes de spinmi et leurs autres nombresquantiquesαi et des états finaux caractérisés par leurs impulsionspf , leurs troisiÚmescomposantes de spinmf et leurs autres nombres quantiquesαf est
ăpf ,mf , αf |T |pi,mi, αiă = ăâpi,âmi, αi|T |âpf ,âmf , αf ă (4.4)
Il y a donc égalité de probabilité entre un processus et son processus inverse dont lesimpulsions et les spins sont dans des directions opposées.
Finalement, la transformationT nâĂ©tant pas unitaire, ceci a pour consĂ©quence queT nâa pas de valeurs propres observables. Les Ă©tats ne peuvent ĂȘtre Ă©tiquetĂ©s en termede telles valeurs propres et on ne peut pas tester la violation de lâinvariance sousT enutilisant la prĂ©sence de modes de dĂ©sintĂ©gration interdits.
Les interactions fortes sont invariantes sous un renversement du tempsT :
[T ,Hfortes] = 0
Application: le bilan détaillé
Exemple 4.5Le spin du pion:Supposons quâil y ait invariance sous le renversement du temps,T , combinĂ©e Ă lâinvariance sousla paritĂ©,P. Pour un systĂšme donnĂ©, lâidentitĂ© dĂ©rivĂ©e en (4.4) devient
ăÎČ,pf ,mf | T |α,pi,miă = ăα,âpi,âmi|T |ÎČ,âpf ,âmf ă
= ăα,âpi,âmi| Pâ1
TP |ÎČ,âpf ,âmf ă
= ăα,pi,âmi|T |ÎČ,pf ,âmfă .
Ces conditions sont remplies pour un processus dâinteraction forte par exemple. Alors, la sommesur les Ă©tats de spin initiaux et finaux est donnĂ©e par
â
spin
|ăÎČ,pf ,mf |T |α,pi,miă|2 =
â
spin
|ăα,pi,mi|T |ÎČ,pf ,mf ă|2
puisque toutes les composantes de spin±mi et± mf sont somméesEn général, dans une réaction à 4-corps les particules initiales sont souvent non-polarisées, ce quiimplique une moyenne sur les états de spin initiaux si bien que la section efficace du processus
1997 L. Marleau
88 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
direct1 + 2 â 3 + 4
sâĂ©critdÏ
dΩ(12 â 34) =
1
16Ï2
m21
E2CM
p34
p12
1
(2S1 + 1) (2S2 + 1)
â
i
â
f
|Mfi|2
alors que la section efficace du processus inverse
3 + 4 â 1 + 2
sâĂ©critdÏ
dΩ(34 â 12) =
1
16Ï2
m21
E2CM
p12
p34
1
(2S3 + 1) (2S4 + 1)
â
i
â
f
|Mif |2.
Puisqueâ
i
â
f
|Mfi|2 =
â
i
â
f
|Mif |2
on trouve la relation de proportionnalité
dÏ
dΩ(12 â 34) =
p234p212
(2S3 + 1) (2S4 + 1)
(2S1 + 1) (2S2 + 1)
dÏ
dΩ(34 â 12).
Considérons maintenant la réaction
p+ p â Ï+ + d
oĂč le spin du proton est12
et celui du deutéron est de 1. Alors
dÏ
dΩ(pp â Ï
+d) =
p2Ïp2p
(2SÏ + 1) · 3
2 · 2
dÏ
dΩ(Ï+
d â pp).
Une mesure expĂ©rimentale des sections efficaces permet alors de dĂ©terminer le spin du pion: onvĂ©rifie queSÏ = 0.
4.6 Invariance de jauge
La formulation quantique du principe dâinvariance de jauge est due Ă Wigner (1949).Cependant, le principe Ă©tait connu depuis fort longtemps en mĂ©canique classique. En ef-fet, rappelons que les forces Ă©lectromagnĂ©tiques (ou les champs Ă©lectrique et magnĂ©tique,E etB) sont indĂ©pendantes du choix de la jauge ce qui nâest pas le cas des potentielsĂ©lectrostatique et vecteur,Ï etA.
En mĂ©canique quantique, la densitĂ© de probabilitĂ© est invariante sous la multiplicationde la fonction dâonde par un facteur de phase.
Par exemple, la solution sous forme dâune onde plane
Ï = eip·x
doit ĂȘtre Ă©quivalente Ă ÏâČ = eâieαeip·x = ei(p·xâeα).
Cette transformation laisse la densité de probabilité spatiale invariante
ăÏ |Ïă =âšÏâČ âŁâŁÏâČâ© .
4.6 Invariance de jauge 89
Transformation de jauge
Un transformation de jauge est définie par la transformation unitaire
Ï â ÏâČ = eâieαÏ
oĂč e est un paramĂštre constant dont on verra la signification physique plus bas etα(x)est une fonction arbitraire:
1. Siα(x) est une constante arbitraire (indĂ©pendante de la position), la transformationde jauge est diteglobale.Elle consiste Ă multiplier la fonction dâonde par le mĂȘmefacteur de phase quelle que soit la position. Un phase globale nâest pas observable enmĂ©canique quantique.
2. Siα(x) est une fonction scalaire arbitraire dĂ©pendant de la position, la transformationde jauge est ditelocale.Elle consiste Ă multiplier la fonction dâonde par un facteurde phase arbitraire en chaque point de lâespace. Lâinvariance dâun systĂšme sous unetelle transformation mĂšne Ă des propriĂ©tĂ©s trĂšs spĂ©ciales qui sont dâune importantecruciale dans la description des thĂ©ories modernes des particules Ă©lĂ©mentaires
Par analogie, si on considĂšre la rotation des spins sur un rĂ©seau, une rotationglobaleconsiste Ă faire une rotation de tous les spins par le mĂȘme angle sur chaque site alors quela transformationlocale fait tourner les spins par un angle arbitraire sur chaque site.
ConsidĂ©rons maintenant lâeffet de la transformation de jaugelocale sur lâHamilto-nien. Les Ă©quations de mouvement mettent en jeu lâopĂ©rateurâ” = â
âx” qui agit de façonnon-triviale
â”Ï(x) â â”ÏâČ(x) = i (p” â eâ”α (x))ÏâČ(x)
alors queâ”Ï(x) = ip”Ï(x).
Donc, les Ă©quations de mouvement ne sont pas, en gĂ©nĂ©ral, invariantes sous une trans-formation de jaugelocale.ConsidĂ©rons les particules chargĂ©es qui interagissent Ă©lectro-magnĂ©tiquement avec le potentielA” = (Ï,A). En fait, lâinteraction Ă©lectromagnĂ©tiquepeut ĂȘtre introduite en mĂ©canique grĂące Ă la substitution de lâimpulsion par lâimpulsioncanonique
p” â p” + eA”.En incluant le potentiel, une onde plane a la forme
Ï (x) = ei(p·x+eA·x)
oĂčA ⥠A (x) . La transformation de jauge a un effet surA,
A” â AâČ”,
si bien que la fonction dâonde en prĂ©sence dâinteraction sous une transformation de jaugelocale sâĂ©crit
Ï (x) â ÏâČ (x) = ei(p·x+eAâČ·xâeα(x))
etâ”Ï(x) â â”Ï
âČ(x) = i (p” + eAâČ â eâ”α (x))ÏâČ(x).
Lâinvariance de jauge requiert donc que
AâČ” = A” + â”α (x)
© 1997 L. Marleau
90 Chapitre 4 SYMĂTRIES DE LâESPACE-TEMPS
et que les équations de mouvement deA” soient aussi invariantes sous cette transforma-tion de jauge. Alors
Ï â ÏâČ
âÂ”Ï = ipÂ”Ï â â”ÏâČ = ip”Ï
âČ
A” â AâČ”
Finalement, deux conditions sont nĂ©cessaires Ă lâinvariance sous une transformationde jaugelocale:
1. Il doit exister un champsA” Ă longue portĂ©e qui agit sur les particules et qui changela phase de leur fonction dâonde.
2. La charge doit ĂȘtre conservĂ©e (lâidentitĂ© ci-haut nâest plus valide si la charge varie enfonction du temps).
Les photons
Les Ă©quations de Maxwell en Ă©lectrodynamique classique sâĂ©crivent gĂ©nĂ©ralement entermes des champs Ă©lectrique et magnĂ©tique
B = âĂA
E = ââÏââ
âtA.
En lâabsence de charge et courant, elle peuvent prendre la forme
â”â”AÎœ(x) = 0
ou, dans lâespace de impulsions,
k”k”AΜ(k) = 0,
ce qui implique que la masse des photons est nulle.Les Ă©quations de mouvement sont invariantes de jauge, ce qui se traduit par la condi-
tion de Lorentz (nommĂ©e ainsi parce quâelle est invariante de Lorentz)
â”A”(x) = 0 ou k”A
”(k) = 0.
En imposant cette condition sur une solution de type onde plane
A”(k) = ǫ”(k)a0eik·x
oĂč ǫ” est un vecteur unitaire de polarisation eta0, un facteur de normalisation, on a
k”ǫ”(k) = 0. (4.5)
En gĂ©nĂ©ral, seulement trois des quatre degrĂ©s de libertĂ© sont indĂ©pendants pour une par-ticule vectorielle qui obĂ©it Ă lâinvariance de jauge. Ces particules de spin 1 peuvent alorsse trouver dans trois Ă©tats reprĂ©sentĂ©es par les trois Ă©tats de spinJz = â1, 0 ou1.
Les équations de mouvement imposent cependant la contrainte supplémentaire
k2ǫ”(k) = 0 ââ k2 = 0
câest-Ă -dire que la masse du photon est nulle. Il ne reste que seulement deux degrĂ©s de
5.0 91
libertĂ© rĂ©siduels soit les Ă©tats de spinJz = ±1. En fait, il est facile de se convaincre quelâĂ©tat Jz = 0 nâest pas un invariant de Lorentz alors que le photon devrait ĂȘtre dĂ©crit dela mĂȘme façon quel que soit le repĂšre inertiel (sa vitesse est toujours la mĂȘmec = 1).
Les résultats physiques sont indépendants du choix de la jauge. Choisissons ici lajauge de Coulomb, i.e.
A0 = Ï = 0.Alors (4.5) devient
k · ǫ = 0aussi appelée la condition de transversalité
k â„ Ç«
i.e. seules les composantes transverses du vecteur de polarisation sont non-nulles pourun photon.
En conclusion, les implications sont les suivantes:
1. Le vecteur de polarisation dâune particule de spin 1 possĂšde en gĂ©nĂ©ral trois Ă©tats:les Ă©tats de spinJz = ±1, 0. Lâinvariance de Lorentz (ou la masse du photon nulle)Ă©limine la possibilitĂ©Jz = 0.
2. Un photon peut ne pas obĂ©ir aux Ă©quations de mouvement ou Ă la condition dâinva-riance de jauge pendant un temps permis par le principe dâincertitude. On dit que lephoton est alorsvirtuel .
3. Lâinvariance de jauge =â mphoton= 0 =â conservation de la charge=â2 hĂ©licitĂ©s pour photons rĂ©els.
Invariance de jaugemphoton= 0
(2 hélicités pour photons réels)[Q,H] = 0
Conservation de la charge
4.7 Contrainte dâunitaritĂ©
© 1997 L. Marleau
5 SYMĂTRIES INTERNES ETHADRONS
5.1 Symétries globales et rÚgles de sélection
On observe expĂ©rimentalement que certaines rĂ©actions sont possibles alors que dâautressemblent totalement interdites. Pourtant, la seule conservation dâĂ©nergie-impulsion nâar-rive pas Ă expliquer ces rĂ©sultats.
Par exemple, le simple principe de lâaugmentation de lâentropie favorise la dĂ©sintĂ©-gration dâune particule en particules plus lĂ©gĂšres. Dans une telle dĂ©sintĂ©gration, lâentro-pie augmente puisquâelle est reliĂ©e Ă lâespace de phase,S = kB ln(Espace de phase) quiest plus grande pour des particules lĂ©gĂšre. Cependant certaines dĂ©sintĂ©grations ne sontpas observĂ©es.
Il doit donc y avoir un principe thĂ©orique qui explique ces phĂ©nomĂšnes, e.g. des rĂšglesde sĂ©lection ou encore des lois de conservation. Dans la plupart des cas, ceci est possibleen introduisant une charge gĂ©nĂ©ralisĂ©e (un nombre quantique associĂ© Ă une symĂ©trie glo-bale) Ă chacune des particules et une loi de conservation additive correspondante. Alors,la somme des charges gĂ©nĂ©ralisĂ©es demeure la mĂȘme avant et aprĂšs la rĂ©action:
â
i
Qi =â
f
Qf .
Charge Ă©lectrique, Q
La charge Ă©lectrique est conservĂ©e Ă lâĂ©chelle macroscopique. Il est donc naturelquâelle soit conservĂ©e aussi Ă lâĂ©chelle microscopique. Cependant, cette prĂ©somptiondoit ĂȘtre scrupuleusement vĂ©rifiĂ©e. En principe, lâĂ©lectron pourrait se dĂ©sintĂ©grer en par-ticules plus lĂ©gĂšres si ce nâĂ©tait de la conservation de la charge Ă©lectrique. On sait que leprocessus de dĂ©sintĂ©gration
eâ 9 Îœ + ÎłpossĂšde une vie moyenneÏ â„ 2Ă1022 annĂ©es (il nâest essentiellement pas observĂ©). Lacharge Ă©lectrique est donc un nombre quantique conservĂ© additivement. Cela implique
94 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
lâinvariance sous une transformation de jauge globale de lâHamiltonien
|Ïă ââŁâŁÏâČâ© = eâiQα |Ïă
et[Q,H] = 0
oĂčQ est le gĂ©nĂ©rateur du groupe des transformation unitaireU(1). Siα est indĂ©pendantde la position, on dit que la transformation de jauge est globale alors que pourα =α(x), la transformation de jauge est locale. Une des particularitĂ©s de la charge Ă©lectriqueest quâelle est le seul nombre quantique qui correspond Ă la fois au gĂ©nĂ©rateur de latransformationU(1) globale et au gĂ©nĂ©rateur de la transformationU(1) locale.
Nombre leptonique total, L
Le ModĂšle Standard requiert la prĂ©sence de trois gĂ©nĂ©rations (ou familles) de leptons.Chaque gĂ©nĂ©ration est formĂ©e dâun lepton chargĂ© et dâun neutrino (et de leurs antiparti-cules respectives). Les rĂ©actions impliquant des leptons permettent de constater quâil y aconservation dunombre leptoniquesi on assigne un nombre leptonique,L = 1, aux lep-tons,L = â1 aux antileptons etL = 0 Ă toute autre particule (e.g. hadrons, quarks,....)
Leptons,L = 1(
Îœeeâ
) (Μ””â
) (ÎœÏÏâ
)(5.1)
Antileptons,L = â1(
e+
Îœe
) (”+
Μ”
) (Ï+
ÎœÏ
)(5.2)
La conservation du nombre leptonique implique lâinvariance de lâHamiltonien sous unetransformation de jauge globale dĂ©finie par
|Ïă ââŁâŁÏâČâ© = eâiLα |Ïă
avec[L,H] = 0
oĂčL est le gĂ©nĂ©rateur de la transformation.
Nombre Ă©lectronique, muonique, tauonique...
Toutefois la simple conservation du nombre leptonique total ne rĂ©ussit pas Ă expliquerlâobservation suivante. Lorsque des antineutrinos provenant de la dĂ©sintĂ©gration du pion
Ïâ â ”âΜ” (5.3)
entrent en collision avec un proton, la réaction
Μ” + p â n+ e+ (5.4)
nâest pas observĂ©e. Par ailleurs, la rĂ©action est possible si les antineutrinos incidents sont
5.1 Symétries globales et rÚgles de sélection 95
de type Ă©lectronique,Îœe + p â n+ e+. (5.5)
Pourtant, la seule loi de conservation du nombre Ă©lectronique total permet la capturedâantineutrinos de tous les types dans (5.4).
Historiquement, cette question a permis de faire la lumiÚre sur la nature des neutrinosen nous obligeant à en distinguer différents types et en à attribuer à chaque famille deleptons un nombre leptonique distinct. Ainsi, chaque nombre leptonique (les nombresélectronique, muonique et tauonique) est conservé séparément. On assigne les nombresleptoniques suivant la rÚgle
Le L” LÏ L
eâ, Îœe +1 0 0 +1e+, Îœe â1 0 0 â1”â, Μ” 0 +1 0 +1”+, Μ” 0 â1 0 â1Ïâ, ÎœÏ 0 0 +1 +1Ï+, ÎœÏ 0 0 â1 â1
,
les autres particules ayant toutes des nombres leptoniques nuls.On voit aisément que les nombres électronique et muonique ne sont pas conservés
dans la rĂ©actionΜ” + p â n+ e+:
Le(Μ”) + Le(p) = 0 â Le(n) + Le(e+) = â1
L”(Μ”) + L”(p) = â1 â L”(n) + L”(e+) = 0
alors quâils le sont dans la rĂ©actionÎœe + p â n+ e+:
Le(Îœe) + Le(p) = â1 â Le(n) + Le(e+) = â1
L”(Îœe) + L”(p) = 0 â L”(n) + L”(e+) = 0.
Nombre baryonique, B
Le proton est une particule trĂšs stable avec une vie moyenneÏ â„ 1031 annĂ©es. Or,Ă prime abord, on pourrait sâattendre Ă ce que le proton puisse se dĂ©sintĂ©grer en uneparticule plus lĂ©gĂšre. Ce nâest pas le cas. Cette observation suggĂ©ra que la stabilitĂ© devaitĂȘtre la consĂ©quence dâune loi de conservation dâun nouveau nombre quantique, le nombrebaryonique. On assigne un nombre baryoniqueB = +1 aux baryons etB = 0 auxmĂ©sons et aux leptons. Les antibaryons ont bien sĂ»r une charge opposĂ©e, soitB = â1:
B = +1 : p, n,Î,ÎŁ+,â,0,Î0,â,Ωââ, ...B = 0 : Ï+,â,0,Kâ,+,0, Ï, ...
Par ailleurs, les constituants des hadrons, les quarks, doivent aussi porter une chargebaryonique
B (quark) =1
3
B (antiquark) = â1
3
© 1997 L. Marleau
96 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
qui est indépendante de la saveur.
La conservation du nombre baryonique implique lâinvariance de lâHamiltonien sousune transformation de jauge globale dĂ©finie par
|Ïă ââŁâŁÏâČâ© = eâiBα |Ïă
avec[B,H] = 0
oĂčB est le gĂ©nĂ©rateur de la transformation.
5.2 Isospin
Comme une bonne partie de ces rĂšgles de sĂ©lection sâappliquent aux hadrons quisontformĂ©s de particules plus fondamentales, les quarks, nous commençons ce chapitre parun survol rapide des propriĂ©tĂ©s des hadrons. MalgrĂ© quâil en existe plusieurs centaines,on peut les classer en deux types: les baryons de spinJ = 1
2 ,32 et les mésons de spin
J = 0, 1. De plus, les hadrons peuvent ĂȘtre rangĂ©s en groupes dĂ©finis, des multiplets quisont identifiĂ©s par des paritĂ©s et spins identiques,JP . Les tableaux suivants illustrent lespectre des hadrons les plus lĂ©gers (des Ă©tats plus lourds existent mais sont interprĂ©tĂ©scomme des Ă©tats excitĂ©s).
Multiplet JP = 0â
MĂ©sons Mass(MeV) NomÏ+, Ï0, Ïâ 139.6, 135.0, 139.6 pionK+,K0 493.6, 497.7 kaonK0,Kâ 497.7, 493.6 antikaon
η 548.8 etaηâČ 957.5 eta prime
Multiplet JP = 1â
MĂ©sons Mass(MeV) NomÏ+, Ï0, Ïâ 770 rho
Ï0 783 omĂ©gaKâ+,Kâ0 982 kaon Ă©toileKâ0,Kââ 982 antikaon Ă©toile
Ï0 1020 phi
Multiplet JP = 12
+
Baryons Mass(MeV) Nomp, n 938.3, 939.6 nuclĂ©onÎ0 1115.7 lambda
ÎŁ+,ÎŁ0,ÎŁâ 1189.4, 1192.6, 1197.4 sigmaÎ0,Îâ 1314.9, 1321.3 cascade
5.2 Isospin 97
Multiplet JP = 32
+
Baryons Mass(MeV) Nomâ+,â0,ââ,âââ â 1232 deltaÎŁâ+,ÎŁâ0,ÎŁââ 1382.8, 1383.7, 1387.2 sigma Ă©toile
Îâ0,Îââ 1530.8, 1535.0 cascade Ă©toileΩâ 1672.5 omĂ©ga
La premiĂšre remarque qui vient Ă lâidĂ©e en regardant les propriĂ©tĂ©s des particules formantles multipletsJP est sans doute que la structure de multiplets ne sâarrĂȘte pas Ă la notionde spin et paritĂ©. En effet, la plupart des particules peuvent former des sous-multipletscaractĂ©risĂ© par des masses trĂšs semblables mais dont les Ă©lĂ©ments se distinguent par leurcharge Ă©lectrique. Par exemple, on retrouve des singulets, doublets, triplets et quadrupletsde charges, e.g.:
singulets: η, ηâČ, Ï0, Ï0,Î0,Ωââ
doublets:(
pn
)
,
(K+
K0
)
,
(K0
Kâ
)
,
(Kâ+
Kâ0
)
,
(Kâ0
Kââ
)
,
(Î0
Îâ
)
triplets:
Ï+
Ï0
Ïâ
,
Ï+
Ï0
Ïâ
,
ÎŁ+
ÎŁ0
ÎŁâ
,
ÎŁâ+
ÎŁâ0
ÎŁââ
quadruplets:
â+
â0
ââ
â+
On remarque de plus que les interactions fortes sont approximativement identiquespour les systĂšmesp â n, p â p et n â n. Par analogie avec le concept de spin (oĂč latroisiĂšme composante du spin distingue les deux manifestations dâune mĂȘmeparticule)il est possible dâinterprĂ©ter le proton et le neutron comme les deux Ă©lĂ©ments dâun doubletdâisospin (nuclĂ©on)
N =
(pn
)
=
(I = 1
2 , I3 = +12
I = 12 , I3 = â1
2
)
.
Le proton et le neutron sont donc des particules identiques (ou la mĂȘme particule) dupoint de vue des interactions fortes. Leurs masses diffĂšrent trĂšs peu,
âm
m=
1.2 MeV939 MeV
= 0.001,
et cette diffĂ©rence peut ĂȘtre attribuĂ©e Ă des effets coulombiens quâon estime ĂȘtre de lâordrede la constante de couplage des interactions Ă©lectromagnĂ©tiques,O(αem).
Il sâagit toutefois dâune propriĂ©tĂ© qui ne se limite pas au proton et au neutron maisqui sâĂ©tend Ă toutes les interactions fortes, câest-Ă -dire que celles-ci sont indĂ©pendantesde la charge Ă©lectrique.
Le traitement de lâisospin ressemble en tout point Ă celui du moment angulaire. Onintroduit un vecteurI = (I1, I2, I3) dans lâespace des isospins. LâopĂ©rateur dâisospinI
obĂ©it Ă des rĂšgles de commutation similaires Ă celles qui sâappliquent au moment angu-laire ou au spin,
[Ii, Ij ] = iǫijkIk i = 1, 2, 3
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98 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
ce qui permet lâexistence simultanĂ©e de plusieurs Ă©tats propres|I, I3ă avec pour obser-vablesI2 et I3,
I2 |I, I3ă = I(I + 1) |I, I3ă
I3 |I, I3ă = I3 |I, I3ă
oĂč I3 dans le membre de gauche de la derniĂšre Ă©quation reprĂ©sente un opĂ©rateur.I3possĂšde(2I + 1) valeurs propres qui prennent les valeurs
âI,âI + 1, ....., I â 1, I.
Par consĂ©quent, un multiplet dâisospinI est formĂ© de(2I +1) Ă©tats propres, i.e. il sâagitdâun (2I + 1)-plet.
Par exemple, le multiplet formĂ© du proton et du neutron possĂšde deux Ă©tats de chargedâoĂč I = 1
2 et
|pă =
âŁâŁâŁâŁI =
1
2, I3 =
1
2
â©
=
âŁâŁâŁâŁ
1
2,1
2
â©
|nă =
âŁâŁâŁâŁ
1
2,â
1
2
â©
,
alors que le quadruplet duâ possĂšde les Ă©tats propresâŁâŁâ+
â©=
âŁâŁâŁâŁ
3
2,3
2
â©
âŁâŁâ0
â©=
âŁâŁâŁâŁ
3
2,1
2
â©
âŁâŁâââ© =
âŁâŁâŁâŁ
3
2,â
1
2
â©
âŁâŁââââ© =
âŁâŁâŁâŁ
3
2,â
3
2
â©
.
Symétrie SU(2)
On peut donc dĂ©crire plusieurs Ă©tats de charge dâune particule sous la forme de mul-tiplets. Ces Ă©tats ont les mĂȘmes interactions fortes. On peut dire que lâHamiltonien desinteractions fortes est invariant sous une transformation qui change un Ă©tat de chargepour un deuxiĂšme qui fait partie du mĂȘme multiplet, e.g. transformation dâun proton enneutron. Mais comment dĂ©finit-on un telle transformation? Encore une fois, lâanalogieavec le spin est dâune grande utilitĂ©.
Posons un opĂ©rateur de transformationU tel queâŁâŁÏâČâ© = U |Ïă .
oĂč |Ïă reprĂ©sente le multiplet dâisospin.
1. PuisqueU agit sur un multiplet, il peut ĂȘtre reprĂ©sentĂ© par une matrice qui est com-plexe en gĂ©nĂ©ral.
5.2 Isospin 99
2. Pour conserver lâhermiticitĂ© et gĂ©nĂ©rer des valeurs propres rĂ©elles,U doit ĂȘtre uni-taire,
Uâ U = I.
3. On exige en plus que le produit scalaire soit conservé, e.g.
ăÏ |Ïă =âšÏâČ âŁâŁÏâČâ©
ce qui implique quedetU = 1.
4. Finalement, lâĂ©tat de charge Ă lâintĂ©rieur dâun multiplet est dĂ©terminĂ© par un seulnombre quantiqueI3. Ceci implique quâil existe une seule matrice diagonalisablesimultanĂ©ment. On dit alors que le rang de lâopĂ©rateur matriciel est de un.
Les matrices qui obéissent à ces conditions forment le groupeSU(2), les matrices2à 2 spéciales unitaires.
Générateurs de SU(2)
PuisqueU est unitaire, il peut se récrire
U = eiÏ
oĂčÏ est une matrice complexe2Ă2. Elle est dĂ©terminĂ©e par 8 paramĂštres, 4 rĂ©els et 4 ima-ginaires. Cependant, tous ces paramĂštres ne sont pas indĂ©pendants puisque les 4 condi-tions dâunitaritĂ© sâappliquent (Uâ U = I) et une condition dâunimodularitĂ© (detU = 1)doit aussi ĂȘtre imposĂ©e. Il reste donc trois degrĂ© de libertĂ© indĂ©pendants ce qui signifiequeÏ est une combinaison linĂ©aire de trois matrices linĂ©airement indĂ©pendantes.
Ï = ÏiÏi i = 1, 2, 3
oĂčÏi sont de coefficients alors queÏi sont les matrices2Ă2 linĂ©airement indĂ©pendantes.Il est pratique dâidentifierÏi au gĂ©nĂ©rateur du groupeSU(2), câest-Ă -dire aux mat-
rices de Pauli
Ï1 =
(0 11 0
)
Ï2 =
(0 âii 0
)
Ï3 =
(1 00 â1
)
,
qui obéissent aux rÚgles de commutation
[Ïi, Ïj ] = iÇ«ijkÏk i = 1, 2, 3.
à noter, les générateurs ne commutent pas. On dit alors que le groupeSU(2) est non-commutatif ou non-abélien.
Relation de Gell-Mann-Nishijima
Par analogie avec le spin, il est clair que la conservation deI3 implique lâinvariancede lâHamiltonien sous une rotation autour de la troisiĂšme direction dâisospin. Par ailleurs,la valeur propreI3 est une mesure de lâĂ©tat propre de charge de la particule Ă lâintĂ©rieur
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100 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
du multiplet. Il doit donc exister une relation directe entre la charge et la troisiĂšme com-posante dâisospin de lâĂ©tat. On serait tenter de confondre les deux quantitĂ©s mais il fautse rappeler que la chargeQ est conservĂ©e partout alors queI3 ne lâest que dans les in-teractions fortes. En fait, dâautres charges sont impliquĂ©es dans la relation entreQ etI3,
Q = I3 +Y
2oĂč Y est appelĂ© lâhypercharge.Il est facile de dĂ©montrer que lâhyperchargeassociĂ©eĂ un multiplet dâisospin correspond Ă la charge moyenne des particules qui forment lemultiplet
Y = 2Q.
Conservation dâisospin
La conservation de lâisospin implique lâinvariance de Ă©quations de mouvement sousune rotation dans lâespace des isospins et les rĂšgles de commutation
[U,Sfortes] = 0
[U,Hfortes] = 0
ou
[I, Sfortes] = 0
[I,Hfortes] = 0.
Cependant comme dans le cas du moment angulaire ou du spin, seulement deux opéra-teurs matriciels commutent simultanément entre eux et avecHfortes,
[I2, I3
]=
[I2,Hfortes
]= [I3,Hfortes] = 0,
et il existe donc seulement deux bons nombres quantiques qui dĂ©crivent les Ă©tats dâisos-pin et, puisqu âils sont conservĂ©s, ils mĂšnent aux rĂšgles de sĂ©lections suivantes dans lesinteractions fortes:
â |I|2 = 0
âI3 = 0
qui viennent sâajouter aux rĂšgles dĂ©jĂ dĂ©crites
âB = 0 et
âQ = 0 â âY = 0.
La combinaison de deux ou plusieurs isospins est analogue Ă celle de spins. Posonsdeux Ă©tats dâisospin|Ia, Ia3 ă et
âŁâŁIb, Ib3
â©. Ils se combinent selon les rĂšgles suivantes
1. Lâisospin totalI prend des valeursâŁâŁIa + Ib
âŁâŁ ,âŁâŁIa + Ib
âŁâŁâ 1, ......,
âŁâŁIa â Ib
âŁâŁ+ 1,
âŁâŁIa â Ib
âŁâŁ
2. La troisiĂšme composante dâisospin est conservĂ© additivement
I3 = Ia3 + Ib3.
5.3 ĂtrangetĂ© et hypercharge 101
Plus prĂ©cisĂ©ment, lâĂ©tat final est une combinaison linĂ©aire de tous ces Ă©tatsâŁâŁIa, Ia3 ; I
b, Ib3â©= |Ia, Ia3 ă â
âŁâŁIb, Ib3
â©
= αâŁâŁâŁâŁIa + Ib
âŁâŁ , Ia3 + Ib3
â©+ ÎČ
âŁâŁâŁâŁIa + Ib
âŁâŁâ 1, Ia3 + Ib3
â©
+ · · ·+ ÎłâŁâŁâŁâŁIa â Ib
âŁâŁ , Ia3 + Ib3
â©
oĂčα,ÎČ etÎł sont des coefficients de Clebsch-Gordan
α =âšâŁâŁIa + Ib
âŁâŁ , Ia3 + Ib3
âŁâŁIa, Ia3 ; I
b, Ib3â©
ÎČ =âšâŁâŁIa + Ib
âŁâŁâ 1, Ia3 + Ib3
âŁâŁIa, Ia3 ; I
b, Ib3â©
...
Îł =âšâŁâŁIa + Ib
âŁâŁâ 1, Ia3 + Ib3
âŁâŁIa, Ia3 ; I
b, Ib3â©.
Les interactions Ă©lectromagnĂ©tiques brisent la symĂ©trie sous la rotation dans lâespacedes isospin,
[I,He.m.] = 0.Toutefois on a que
[I3,He.m.] = 0.LâHamiltonien Ă©lectromagnĂ©tique conserve donc la troisiĂšme composante de lâisospinI3. En utilisant
[Q,He.m.] = 0on déduit que (relation Gell-Mann-Nishijima)
[Y,He.m.] = 0.
On a finalement les rÚgles de sélections pour les interactions électromagnétiques sui-vantes
âI3 = 0 âB = 0 âY = 0â |I|2 = 0.
Les interactions faibles, pour leur part, ne conservent niI3, ni I2 et, incidemment lesrÚgles de sélection sont
â |I|2 = 0 âY = 0 âB = 0.
5.3 ĂtrangetĂ© et hypercharge
Historiquement, le nombre quantique Ă©trange fut proposĂ© afin dâexpliquer des pro-priĂ©tĂ©s apparemment contradictoires (Ă©tranges) de certaines particules:
1. une production copieuse dans les interactions fortes (ât â 10â23s) et,
2. une longue vie moyenne (Ï â 10â9s) caractĂ©ristique des interactions faibles.
Elles ont donc Ă la fois des interactions fortes et des interactions faibles mais ne sedĂ©sintĂšgrent pas fortement sinon leurs vies moyennes seraient beaucoup plus courtes.Une rĂšgle de sĂ©lection doit donc sâappliquer. La solution consiste Ă introduire le nombrequantique appelĂ©Ă©trangetĂ©,S. S est conservĂ© dans les interactions fortes par lesquelles
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102 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
les particules sont produites en paires dâĂ©trangetĂ©opposĂ©e. La dĂ©sintĂ©gration en parti-cules non-Ă©tranges ne peut cependant procĂ©der que par la voie faible ce qui implique quedans les interactions faibles,S nâest pas conservĂ© en gĂ©nĂ©ral.
En fait, les observations ont permis de prĂ©ciser les propriĂ©tĂ©s de ces particulesĂ©t-ranges. ConsidĂ©rons, par exemple, les mĂ©sons qui forment le multipletJP = 0â parmilesquels on peut identifier trois pions(Ï+, Ï0, Ïâ), deux doublets de mĂ©sonsK, i.e.(K+,K0
)et
(K0,Kâ) et deux mĂ©sonsη et ηâČ. Ces Ă©lĂ©ments du mĂȘme multiplet se
distinguent par leur dĂ©sintĂ©gration faible. LâĂ©trangetĂ© doit ĂȘtre assignĂ©e de la maniĂšresuivante.
Multiplet JP = 0â(K+,K0
): S = +1
(Ï+, Ï0, Ïâ), η, ηâČ : S = 0(K0,Kâ) : S = â1
De la mĂȘme façon, le multipletJP = 12
+compte le doublet(p, n), le triplet(ÎŁ+,ÎŁ0,ÎŁâ),
leÎ0, et le doublet(Î0,Îâ).
Multiplet JP = 12
+
(p, n) : S = 0(ÎŁ+,ÎŁ0,ÎŁâ),Î0 : S = â1
(Î0,Îâ) : S = â2
LâĂ©trangetĂ© est conservĂ©e additivement (rĂšgle de sĂ©lectionâS = 0) dans les rĂ©actionshadroniques (fortes). Par exemple,
p+ Ïâ â Î0 +K0 âS = 0
â n+K+ +Kâ âS = 0
9 p+Kâ âS = â1
9 Kâ +ÎŁâ âS = â2.
Par ailleurs, les désintégrations faibles suivantes sont possibles:
Î0 â p+ Ïâ âS = +1
K0 â Ï+ + Ïâ âS = +1
Î0 â Î0 + Ï0 âS = +1
avec des vies moyennes typiques de10â10s. Ă noter que malgrĂ© lâĂ©trangetĂ©S = â2pourÎ0, son mode de dĂ©sintĂ©gration correspond Ă âS = +1. En fait, il sâagit dâuneautre rĂšgle de sĂ©lection observĂ©e dans les interactions faibles,
|âS| = 1.
Il est souvent pratique dâutiliser le nombre quantique dâhyperchargedĂ©fini comme:
Y = B + S.
PuisqueB etS sont tous deux conservĂ©s dans les interactions fortes, lâhyperchargeestaussi conservĂ©e. La conservation de lâhyperchargeimplique lâinvariance de lâHamilto-nien fort sous une transformation de jauge globale dĂ©finie par
|Ïă ââŁâŁÏâČâ© = eâiY α |Ïă
5.4 Autres saveurs 103
avec[Y,Hfort] = 0
oĂčY est le gĂ©nĂ©rateur de la transformation.
5.4 Autres saveurs
Les nombres quantiques charme, bottom et top ont dâabord et avant tout Ă©tĂ© introduitsdans le contexte du modĂšle des quarks Ă lâorigine formĂ© seulement des quarks up (u),down (d) et Ă©trange (s) (voir chapitre 6 pour une discussion dĂ©taillĂ©e du modĂšle desquarks). Mentionnons seulement pour le moment lâexistence de ces nouveaux nombresquantiques et des rĂšgles de sĂ©lection associĂ©es.
Charme
MalgrĂ© ses nombreux succĂšs, le modĂšle des quarks original ne permettait pas dâex-pliquer tous les phĂ©nomĂšnes observĂ©s. Citons pour exemple une rĂ©action dans laquellela charge Ă©lectrique totale est conservĂ©e, mais oĂč lâĂ©trangetĂ© ne lâest pas:
K0 â ”+ ”â
Charge Ă©lectriqueQ 0 = +1 â1ĂtrangetĂ©S â1 = 0 0
(5.6)
Ce type de rĂ©action faible, oĂč un quarks se transforme en quarkd, est permis par lathĂ©orie, Le taux de rĂ©action est toutefois trĂšs faible par rapport Ă des rĂ©actions similaires,sans raison apparente.
Lâaddition dâune quatriĂšme saveur de quark, avec la mĂȘme charge Ă©lectrique que lequark up, fut suggĂ©rĂ©e en 1964 par Glashow surtout par soucis de symĂ©trie entre lenombre de quarks et de leptons connus Ă ce moment. Ce ne fut que quelques annĂ©esplus tard quâon rĂ©alisa quâun quatriĂšme quark aurait des rĂ©percussion importantes sur lesprĂ©dictions. Une dâentre-elles est le mĂ©canisme de GIM (Glashow-Illiopoulos-Maiamni1970) qui dĂ©crit les modes de dĂ©sintĂ©gration avec changement dâĂ©trangetĂ©. La consĂ©-quence de lâintroduire un quatriĂšme type de quark est de permettre deux voies de dĂ©-sintĂ©grations au quark Ă©trange dans leK0:
s â u â d (5.7)
s â c â d (5.8)La suppression du processusK0 â ”+”â sâexplique alors par le fait que les amplitudesde probabilitĂ© associĂ©es aux deux routes possibles interfĂšrent de façon destructive (etsâannulent donc lâune lâautre).
On assigne au quatriĂšme quark (le quark charmĂ©c) un nouveau nombre quantiqueappelĂ© lecharmeC (oĂčC = 1 pour le quarkc etC = â1 pour lâantiquarkc correspon-dant).
La dĂ©couverte en 1974 de la particuleJ/Ï (un Ă©tat liĂ©cc baptisĂ©e ââcharmoniumââ)permit de confirmer lâhypothĂšse de Glashow et apporta encore plus de crĂ©dibilitĂ© aumodĂšle des quarks.
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104 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
Le charmeC est conservé dans les interactions fortes et électromagnétiques seule-ment:
[C,Hfortes] = 0
[C,He.m.] = 0
et[C,Hfaibles] 6= 0.
Bottom
En 1977, une nouvelle sĂ©rie de rĂ©sonnances fut dĂ©couverte Ă des Ă©nergies dâenviron10 GeV lors de collisionsppĂ Fermilab. LâinterprĂ©tation est la mĂȘme que pour la particuleJ/Ï: il sâagit dâun Ă©tat liĂ©bb, baptisé΄.
On assigne Ă ce cinquiĂšme quark le nombre quantique appelĂ©bottom ou beauty(ââbeautĂ©ââ) B. Ici, B = 1 pour le quarkb et B = â1 pour lâantiquarkb correspon-dant.
Tout comme pour le charme et lâĂ©trangetĂ©, seules les interactions faibles ne conser-vent pas le nombre quantique bottomB:
[B,Hfortes
]= 0
[B,He.m.
]= 0
et [B,Hfaibles
]6= 0.
Top
TrĂšs rĂ©cemment, lâexistence du quarktop t a Ă©tĂ© confirmĂ©e (1995). Mais de fortesprĂ©somptions planaient dĂ©jĂ depuis quelques temps sur lâexistence de ce sixiĂšme quarksurtout Ă cause dâune possibilitĂ© de symĂ©trie entre quarks et leptons. Ces deux classesde particules sont considĂ©rĂ©es comme Ă©lĂ©mentaires et ponctuelles. Or, il existe au totalsix leptons, qui sont regroupĂ©s en trois doublets par la thĂ©orie des interactions faibles:lâĂ©lectron et le neutrino Ă©lectronique, le muon et le neutrino muonique, ainsi que le tauonet le neutrino tauonique. Il semblait particuliĂšrement logique et satisfaisant quâil existe,de la mĂȘme façon, trois doublet de quarks:(u, d), (s, c) et (b, t). Cette symĂ©trie est plusquâesthĂ©tique puisquâelle facilite lâannulation des anomalies.
On assigne au quarktop le nombre quantique appelĂ©top outruth (ââvĂ©ritĂ©ââ) T ,T = 1pour le quarkt et T = â1 pour lâantiquarkt. La masse du quark top est trĂšs Ă©levĂ©,i.e. environ 175 GeV. Celui-ci se dĂ©sintĂšgre donc en quarks plus lĂ©gers trĂšs rapidementen moins de10â23s. câest-Ă -dire en moins de temps quâil nâen faut pour sâĂ©chapper delâintĂ©rieur dâun hadron ou pour former des hadrons (voir rĂ©sonance 111)
Seules les interactions faibles ne conservent pas le nombre quantique bottomT :
[T,Hfortes] = 0
5.5 Conjugaison de la charge 105
[T,He.m.] = 0
[T,Hfaibles] 6= 0.
Relation de Gell-Mann-Nishijima (révisée)
La relation de Gell-Mann-Nishijima se lit comme suit:
Q = I3 +Y
2(5.9)
Elle Ă©tablit la relation entre la troisiĂšme composante dâisospin et la charge Ă©lectriquequi est conservĂ©e dans toutes les interactions. Les interactions faibles, comme on lâa vu,interviennent dans le changement de saveur et donc modifient les nombres quantiquesI3, S, C, B etT sans toutefois modifierQ. En fait, on observe que tout changement desaveur obĂ©it Ă
â2I3 + S +C + B + T= 0.
On peut inclure ce dernier résultat dans la relation Gell-Mann-Nishijima (généralisée)
Q = I3 +(B + S +C + B + T )
2ce qui Ă©quivaut Ă dĂ©finir lâhyperchargepar
Y = B + S +C + B + T
oĂč
B = nombre baryonique
S = nombre dâĂ©trangetĂ©
C = nombre de charme
B = nombre de bottom
T = nombre de top.
Le nombre baryonique est introduit ici pour que la formule sâapplique aux multiplets debaryons et de mĂ©sons.
5.5 Conjugaison de la charge
La conjugaison de chargeC Ă©change une particule par son antiparticule dans le mĂȘmeĂ©tat dâimpulsion, de position, etc... Dans les faits, cette opĂ©ration inverse le signe descharges et du moment magnĂ©tique de chaque particule.
En mĂ©canique classique, les Ă©quations de Maxwell sont invariantes sous le change-ment de signe deÏ etJ, la densitĂ© de charge et de courant, et deE etH.
En mĂ©canique quantique, lâinterprĂ©tation deC est donc plus gĂ©nĂ©rale puisque lâĂ©-change particule-antiparticule implique que toutes lescharges quantiques(ou nombresquantiques additifs) tels que les nombre leptonique, baryonique,... changent de signe.
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106 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
De façon gĂ©nĂ©rale, lâopĂ©rateur de conjugaison de charge agit sur un Ă©tat|Ïă (parti-cule) en le transformant vers son Ă©tat conjuguĂ© de charge (antiparticule):
C |Ïă =âŁâŁÏ
â©.
Toutes les particules ne sont pas des Ă©tats propres de la conjugaison de chargeC. Eneffet, un Ă©tat propre deC doit obĂ©ir Ă lâidentitĂ©
C |Ïă = ηC |Ïă ,oĂč ηC est appelĂ© la paritĂ© de charge. Ceci implique queC |Ïă a les mĂȘmes nombresquantiques (ou charge) que|Ïă. Les seuls Ă©tats qui rĂ©pondent Ă cette conditions sontlessystĂšmes vraiment neutres, câest-Ă -dire les Ă©tats dont toutes charges quantiques et lemoment magnĂ©tique sont nuls. Câest notamment le cas pour le photon et pour les Ă©tatsliĂ©s particule-antiparticule, e.g.
Îł, Ï0, eâe+, η, . . .
Par ailleurs, le neutron, bien que neutre, possĂšde un moment magnĂ©tique non-nul et doncnâa pas de paritĂ© de charge dĂ©finie.
La conjugaison de charge est, tout comme la parité, une opérateur unitairediscretdont les valeurs propres sont
ηC = ±1.
Parité de charge totale
Tout comme dans le cas de lâopĂ©rateur de rĂ©flexion, la loi de conservation associĂ©e Ă la conjugaison de charge est mutiplicative. Par exemple, pour un systĂšme de particuleslibres: on a
C |a, b, c, . . . ză = ηaCηbCη
cC · · · ηcC
âŁâŁa, b, c, . . . z
â©.
La parité de charge totale est alors donnée par
ηtotC =
â
i
ηiC .
Par contre, en prĂ©sence dâinteractions la paritĂ© de charge totale reçoit une contribu-tion supplĂ©mentaire associĂ©e au moment angulaire orbital. ConsidĂ©rons lâexemple simpledâun systĂšme constituĂ© dâune paireÏ+Ïâ dans un Ă©tat de moment angulaire orbital dĂ©-fini, l. En interchangeant leÏ+ et leÏâ, on inverse leur vecteur de position relative dontla partie spatiale de la fonction dâonde totale dĂ©pend. Cette derniĂšre opĂ©ration est Ă©qui-valente Ă une rĂ©flexion appliquĂ©e sur une harmonique sphĂ©rique, et gĂ©nĂšre un facteur dephase de(â)l, i.e.
CâŁâŁÏ+Ïââ© = (â)l
âŁâŁÏ+Ïââ© .
Le cas des paires de fermions de spin-12 est similaire (e.g.e+eâ, qq, ...). Toutefois,
deux facteurs additionnels viennent contribuer:
1. un facteur de(â)s+1 dĂ» Ă lâĂ©change de la partie spinorielle de la fonction dâonde;
2. un facteur de(â)1 qui apparaĂźt lorsque des fermions ou antifermions sont inter-changĂ©s.
5.5 Conjugaison de la charge 107
La paritĂ© de charge totale sâĂ©crit alors
CâŁâŁff
â©= (â)l(â)s+1(â)1
âŁâŁff
â©
= (â)l+sâŁâŁff
â©
soitηffC = (â)l+s.
Invariance sous CLâopĂ©rateur de conjugaison de charge nâaffecte pas les nombres quantiques que sont
la masse, lâimpulsion, lâĂ©nergie dans les interactions fortes et Ă©lectromagnĂ©tiques, le spinet laisse aussi invariante lâopĂ©ration de conjugaison complexe,K
[C,p] = [C,Hfortes] = [C,Hem] = [C,J] = [C,K] = 0.
Par ailleurs, il inverse le signe de charges Ă©lectriques, baryonique, leptonique, lâĂ©trangetĂ©,lâisospin, et le moment magnĂ©tique, i.e.
C,Q = C, B = C, L = C, S = C, I3 = C,” = 0.
Exemple 5.1
ConsidĂ©rons le proton et lâantiproton reprĂ©sentĂ©s respectivement par|pă et |pă. Le proton et lâan-tiproton sont des Ă©tats propres de charge
Q |pă = |pă
Q |pă = â |pă .
La conjugaison de charge transforme proton en antiproton
C |pă = |pă
C |pă = |pă
Il en découle naturellement que
CQ |pă = C |pă = |pă
QC |pă = Q |pă = â |pă
câest-Ă -dire(CQ+ CQ) |pă = C, Q |pă = 0.
Les pions et les photons
Il nâexiste que quelques particules qui sont des Ă©tats propres de la conjugaison decharge.
LeÏ0, qui est un Ă©tatS = 0 etL = 0 de quarksuu etdd, est un Ă©tatvraiment neutre.Il doit avoir une paritĂ© de chargeηÏ
0
C = (â)l+s = 1. Ce rĂ©sultat est effectivement vĂ©rifiĂ©expĂ©rimentalement par lâobservation du processus
Ï0 â Îł + Îł.
1997 L. Marleau
108 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
La conservation de la parité de charge implique dans ce cas
ηÏ0
C = (ηγC)2= 1,
quelque soit la paritĂ© de charge du photon.Dâautre part, la paritĂ© de charge des photons peut ĂȘtre facilement dĂ©duite des pro-
priĂ©tĂ©s classique du champ Ă©lectromagnĂ©tique. Puisque lâopĂ©ration consiste Ă inverser lacharge et le moment magnĂ©tique, elle inverse donc les champs Ă©lectrique et magnĂ©tique.Le quadri-vecteurA”(x) = (Ï(x),A (x)) se transforme donc suivant
CÏ(x) = âÏ(x)
CA (x) = âA (x)
ce qui correspond Ă un paritĂ© de charge nĂ©gative,ηγC = â1.Cette conclusion est confirmĂ©epar lâabsence du mode de dĂ©sintĂ©gration
Ï0 â Îł + Îł + Îł.
Ce mode implique normalement un couplage Ă©lectromagnĂ©tique de plus et on serait endroit de sâattendre Ă une suppression
R =Ï(Ï0 â 3Îł)
Ï(Ï0 â 2Îł)= O(αem)
maisR < 3 Ă 10â8 âȘ αem. Si ce mode Ă©tait permis, alors la conservation de la paritĂ©de charge mĂšnerait Ă une paritĂ© positive pour le photon
ηÏ0
C = 1 6= (ηγC)3= ηγC = â1.
SystĂšmes particule-antiparticule
Dans le cas de systĂšmes particule-antiparticule, on peut invoquer le principe de PauligĂ©nĂ©ralisĂ© selon lequel il y a symĂ©trie ou antisymĂ©trie sous lâĂ©change total de particules.Par Ă©change total, on entend Ă©change de leur charge Ă©lectrique, de leur position et de leurspin.
Le positronium procure une vĂ©rification complĂ©mentaire de la conservation de laparitĂ© de charge dans les interactions Ă©lectromagnĂ©tiques. Il sâagit dâun Ă©tat liĂ©e+eâ quiressemble beaucoup Ă lâatome dâhydrogĂšne pour peu quâon tient compte de la diffĂ©rencede masse rĂ©duite et des effets relativistes. Les Ă©tats liĂ©s peuvent ĂȘtre dĂ©crits par la notationspectroscopique
2S+1LJ ,oĂčS,L etJ sont le spin total, le moment angulaire orbital et le moment angulaire total.La paritĂ© et la paritĂ© de charge pour ces Ă©tats liĂ©s sont donnĂ©es par
ηP = ηe+
P ηeâ
P (â)L
ηC = (â)L+S.
Le parapositroniumet lâorthopositroniumsont les Ă©tats1S0 et 3S1 (niveaun = 1,L = 0, S = 0, 1) respectivement et possĂšdent les paritĂ©s de charge+1 etâ1. Dans ladĂ©sintĂ©gration de ces Ă©tats en deux photons (η2ÎłC = 1) et trois photons (η3ÎłC = â1), on
5.5 Conjugaison de la charge 109
observe expĂ©rimentalement les modes permis et interdits suivant:1S0 â Îł + Îł
9 Îł + Îł + Îł
3S1 â Îł + Îł + Îł
9 Îł + Îł
en accord avec la conservation de la paritĂ© de charge.Le mĂȘme type de raisonnement sâapplique aux systĂšmes quark-antiquark dont la pa-
ritĂ© de charge estηC = (â)L+S.
Par ailleurs, dans les systĂšmes de particule-antiparticule impliquant des pions (e.g.Ï+Ïâ ouÏ0Ï0) pour lesquelsB = Y = Q = 0, le principe de Pauli gĂ©nĂ©ralisĂ© requiertla symĂ©trie sous lâĂ©change dâoĂč
ηC(â)L = 1ou
ηC = (â)L.Pour un systĂšmeÏ0Ï0, le principe de Pauli ordinaire sâapplique puisque lesÏ0 sont desparticules identiques et donc
(â)L = +1etL doit ĂȘtre pair. Il en dĂ©coule que
ηÏ0Ï0
C = +1
alors que pourÏ+Ïâ
ηÏ+Ïâ
C = (â)L.
Violation de CP ou T et ThĂ©orĂšme CPTLâinvariance sousCP (action combinĂ©e de la conjugaison de chargeC et dâune rĂ©-
flexionP) nâest en gĂ©nĂ©ral pas respectĂ©e dans les interactions faibles
[CP,Hfaibles] 6= 0.
Câest notamment le cas dans la dĂ©sintĂ©gration deK0 et K0. Cependant, un effort expĂ©-rimental soutenu depuis quelques annĂ©es tente dâanalyser lâinvariance sousT en raisondu thĂ©orĂšmeCPT .
Le thĂ©orĂšmeCPT dĂ©coule de lâinterprĂ©tation des Ă©quations de mouvement relati-vistes en terme de particules et antiparticules. Il est valide pour toute thĂ©orie relativistepour laquelle les particules ne peuvent atteindre une vitesse supĂ©rieure Ă celle de la lu-miĂšre.
Posons la transformationR = CPT (opération combinée deC ,P et deT ); son effetest:
R :
x” â âx”
Q,B,Le, ... â âQ,âB,âLe, ...Par exemple,R change une particule au repos en son antiparticule au repos. Toutes deuxsont dĂ©crites par la mĂȘme Ă©quation de mouvement si lâinvariance sousCPT nâest pas
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110 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
brisĂ©e. Elles sont donc caractĂ©risĂ©es par la mĂȘme masse et la mĂȘme vie moyenne. AutresconsĂ©quences: une brisure de lâinvariance sousP implique une brisure de lâinvariancesousC ouT , ou encore, lâinvariance sousCP implique lâinvariance sousT , etc...
La démonstration expérimentale duthéorÚmeCPT reste toutefois une question ou-verte malgré les arguments théoriques sur lesquels il est fondé. Voici une liste de quelquestests duthéorÚmeCPT .
aa Limite
Demi-vie (âÏÏ )
”â â ”+
Ïâ â Ï+
Kâ âK+
< 10â4
< 10â3
< 10â3
Moment magnĂ©tique (â|”||”| )
eâ â e+
”â â ”+< 10â10
< 10â8
Masse (âmm )
Ïâ â Ï+
Kâ âK+
K0 â K0
pâ p
< 10â3
< 10â4
< 10â14
< 10â4
5.6 ParitĂ©-GLa conservation de la paritĂ© de charge ne sâapplique quâĂ un nombre trĂšs limitĂ© de
systĂšmes (les systĂšmes vraiment neutres). Par exemple, considĂ©rons le pion qui existesous trois Ă©tats de charge. Seul leÏ0 est un Ă©tat propre de la conjugaison de charge
CâŁ
âŁÏ0= âŁ
âŁÏ0CâŁ
âŁÏ±6= ±âŁ
âŁÏâ.Dâautre part, on sait que dans les interactions fortes la charge Ă©lectrique nâa aucun effet.Il est donc impossible, du point de vue des interactions fortes seulement, de distinguer leÏ0 duÏâ ouÏ+. On peut donc penser Ă gĂ©nĂ©raliser le concept de conjugaison de chargede maniĂšre Ă lâĂ©tendre Ă tous les Ă©tats de charge dâun mĂȘme multiplet, i.e.
G
Ï+
Ï0
Ïâ
= ηG
Ï+
Ï0
Ïâ
oĂčηG = ±1. Le nouvel opĂ©rateur de paritĂ©-G est dĂ©fini par
G = CeiÏI2
oĂč I2 (= Ï2) est lâopĂ©rateur associĂ© Ă la deuxiĂšme composante du vecteur dâisospin.Gest la combinaison de la conjugaison de charge et dâune rotation deÏ autour du deuxiĂšmeaxe dans lâespace dâisospin.
ConsidĂ©rons le multiplet de pions. Pour ĂȘtre en mesure dâapprĂ©cier la rotation danslâiso-espace,eiÏI2 , il est plus pratique dâĂ©crire les Ă©tats de charge du pion en terme descomposantes dâisospinI1, I2 etI3, i.e.|Ï1ă , |Ï2ă et |Ï3ă comme
âŁ
âŁÏ±= 1â2(|Ï1ă â i |Ï2ă)
âŁ
âŁÏ0= |Ï3ă .
5.7 RĂ©sonances 111
Alors lâeffet dâune rotation sur les Ă©tats est:
eiÏI2 |Ï1ă = â |Ï1ăeiÏI2 |Ï2ă = |Ï2ăeiÏI2 |Ï3ă = â |Ï3ă .
Dâautre part, la conjugaison de charge donne
C |Ï1ă = |Ï1ăC |Ï2ă = â |Ï2ăC |Ï3ă = |Ï3ă .
En combinant, on obtient
GâŁ
âŁÏ0= ââŁ
âŁÏ0GâŁ
âŁÏ±= ââŁ
âŁÏ±soit une paritĂ©-G deâ1.
Puisque la paritĂ© de charge et lâisospin sont tous deux conservĂ©s dans les interactionsfortes, la paritĂ©-G lâest aussi.
[G,Hfortes] = 0
[G,He.m.] 6= 0
[G,Hfaibles] 6= 0.
Les interactions électromagnétique et faible ne sont pas invariantes sousG.Tous les multiplets ne sont pas nécessairement des états propres de la parité-G. G
implique une conjugaison de charge dont les Ă©tats propres sont comme on le sait vraimentneutres. LorsquâappliquĂ©e sur tout le multiplet, la conjugaison de charge devrait voir lemultiplet globalement comme un objet vraiment neutre. Donc seuls les multiplets dontles charges moyennes sont nulles peuvent ĂȘtre des Ă©tats propres deG.
Q = 0, B = 0, Y = 0
Câest le cas du multiplet du pion dont la paritĂ©-G est -1. Le multiplet des nuclĂ©ons nâapas de paritĂ©-G dĂ©finie.
En gĂ©nĂ©ral, la paritĂ©-G dâun Ă©tat dâisospinI est donnĂ© par
ηG = ηC (â)I.
Par consĂ©quent, les systĂšmes fermion-antifermion (e.g.pp, qq,...) ont un paritĂ©-GηG = ηC (â)L+S+I ,
alors que les systĂšmes boson-antiboson (e.g.Ï+Ïâ, Ï+Ïâ,...) ont un paritĂ©-GηG = ηC (â)L+I .
5.7 RĂ©sonances
Dans des processus impliquant des interactions fortes, on observe des Ă©tats trĂšs in-stables (Ï â€ 10â23s) appelĂ©srĂ©sonances. On les dĂ©tecte par lâanalyse des distributionsde masse invariantes oĂč des pics du type Breit-Wigner sont observĂ©s.
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112 Chapitre 5 SYMĂTRIES INTERNES ET HADRONS
Considérons par exemple la réaction
Ï+ + p â Ï0 + Ï+ + p. (5.10)
Pendant cette rĂ©action (Ï â€ 10â23s), des Ă©tats intermĂ©diaires peuvent se former (voirfigures 5.1) . Si câest le cas, la matrice de transition du processus prend la forme
p
+
p
Ï
â0Ï
+Ï
+p
+
p
Ï
â
+Ï
0Ï
++
p
+
0
p
Ï
Ï
+Ï
Ï
+
Figure 5.1 Exemple de résonances hadroniques.
T ⌠T0g1g2
si,j âm2 + iÎm
oĂčT0 est la partie de la matrice de transition qui ne dĂ©pend pas de la rĂ©sonance.g1 etg2sont les couplages de la rĂ©sonance avec le reste du processus.m etÎ sont respectivementla masse et la largeur de dĂ©sintĂ©gration de la rĂ©sonance. Finalement, la masse invariantesij des particulesi et j est donnĂ©e par
sij = (pi + pj)2 = M2
ij
oĂč pi et pj sont les impulsions des particules finales. On observe alors un pic dans ledistribution en fonction desij autour de la masse de la rĂ©sonancem.
5.7 RĂ©sonances 113
Dans une rĂ©action impliquant trois particules finales comme dans (5.10), lâespace dephase est dĂ©crit par lâĂ©quation (3.29)
Ntot =1
16(2Ï)3s
â«
ds34ds24
oudNtot
ds34ds24=
1
16(2Ï)3s.
Ă moins quâil y ait une dĂ©pendance explicite de la matrice de transition en fonction des34 et s24 comme dans le cas de pics Ă la Breit-Wigner, la distribution des Ă©vĂ©nementssuivant les masse invariantess34 ets24 doit ĂȘtre uniforme.
s24 et s34 sont bornĂ©s cinĂ©matiquement. Les limites sont les mĂȘmes que celles dĂ©-crites dans la dĂ©sintĂ©gration Ă trois corps dĂ©crite dans une section prĂ©cĂ©dente Ă lâĂ©quation(3.31). Le diagramme de la figure 5.2 illustre la rĂ©gion cinĂ©matique permise (partie om-brĂ©e). Icim1 =
âs.
( s34)min
(m âm3)21
(m +m )22 4
(m3+m4)2
( s34)max
(m âm2)21
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
1
3
s24 (GeV2)
s34
(G
e V2 )
Figure 5.2 Diagramme de Dalitz: Une distribution uniforme des événements en fonction des
masses invariantes signifie quâaucune rĂ©sonance nâest observĂ©e. Par ailleurs, si on note que la
distribution de événements est regroupée autour des de certaines valeurs des masses invariantes
s34 ou s24 (partie foncĂ©e), il est possible dâen dĂ©duire la masse et la largeur de dĂ©sintĂ©gration des
résonances. Par exemple, la position et la largeur du pic dans la distribution des événements en
fonction de s34 sont recpectivement m2â+et Îâ+ alors que ceux associĂ©s Ă s24 = sont m2
Ï+et
Î2Ï+
. (mâ+ = 1232 MeV, Îâ+ = 115.0 MeV, mÏ+ = 768.5 MeV et ÎÏ+ = 150.7 MeV).
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114 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
Les diagrammes de Dalitz illustrent la distribution des Ă©vĂ©nements en fonction desmasses invariantes. Alors, une distribution uniforme des Ă©vĂ©nements en fonction desmasses invariantes signifie quâaucune rĂ©sonance nâest observĂ©e. Par ailleurs, si on noteque la distribution de Ă©vĂ©nements est regroupĂ©e autour des masse invariantes (e.g.â+(1232MeV) et duÏ+(768.5 MeV)), il est possible dâen dĂ©duire la masse et la largeur de dĂ©-sintĂ©gration des rĂ©sonances. Dans le cas des rĂ©sonancesâ+ etÏ+, les pics devraient seretrouver autour des masses
mâ+ = 1232 MeV
mÏ+ = 768.5 MeV
et avoir une largeur Ă mi-hauteur de
Îâ+ = 115.0 MeV
ÎÏ+ = 150.7 MeV.
6 LE MODĂLE DES QUARKS
6.1 Introduction
Historique
Le modĂšle des quarks fut Ă lâorigine motivĂ© par deux observations empiriques:
1. Le nombre de leptons connus est limitĂ© Ă six alors quâil existe une multitude de ha-drons;
2. La classification de ces hadrons en fonction de leurs nombres quantiques (nombre ba-ryonique, spin, isospin, Ă©trangetĂ©) rĂ©vĂšle lâexistence dâune structure (dâune symĂ©trie)sous-jacente.
Nous lâavons dĂ©jĂ mentionnĂ© au chapitre prĂ©cĂ©dent: on observe expĂ©rimentalementque les hadrons apparaissent en singulets, en octets ou en dĂ©cuplets. En fait, chaquemultiplet est caractĂ©risĂ© par un nombre baryonique, un spin et une paritĂ© dĂ©finis. Parexemple, les multiplets les plus lĂ©gers de baryons(JP = 1
2
+) et de mĂ©sons(JP = 0â)
sont respectivement un octet et un nonet. Il est particuliĂšrement instructif de visualiser cesparticules en fonction de leur nombre quantique dâhypercharge et dâisospin (voirfigures6.1 et 6.2). On note tout de suite que les reprĂ©sentations des multipletsde baryons et demĂ©sons sont dans ce cas-ci trĂšs similaires.
De plus, Ă lâintĂ©rieur dâun multiplet, les particules de mĂȘme valeur dâĂ©trangetĂ©S ontdes masses approximativement Ă©gales, alors que lâĂ©cart de masse correspondant Ă unintervalleâS = âY = 1 est une constante dâenviron150 MeV.
En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig suggĂ©rĂšrent que les hadrons nâĂ©taientpas vĂ©ritablement des particules Ă©lĂ©mentaires, mais Ă©taient constituĂ©s de composantesplus fondamentales, lesquarks. Pour rendre compte de la variĂ©tĂ© des hadrons connus Ă lâĂ©poque, on avait besoin de trois types (troissaveursou parfums) de quarks, que lâonnommaup, down etĂ©trange(respectivementu, d et s). La reprĂ©sentation en multiplets( singulets, octets et dĂ©cuplets) des hadrons peut ĂȘtre dĂ©rivĂ©e de la reprĂ©sentationfonda-mentale(u, d, s) (voir figures 6.3).
ÎŁ (1193)
Î (1116)ÎŁ ÎŁ
+ 3I
Y
1
-1 1
-1
ÎŁ
Î Î
0
-
-
0
pn
Î
N(939)
Î(1318)
Figure 6.1 Multiplet de baryons JP = 12
+: la position des baryons est assignée en fonction de
lâhypercharge et lâisospin. La colonne de droite montre la masse moyenne (en MeV) des diffĂ©rents
Ă©tats de charge dâun sous-multiplet dâisospin.
'
+Ï Ï
3I
Y
1
-1 1
-1
Ï 0
-
-
K
η
K(496)
Ï (138)
η (958) η (549)
K(496)
K
KK
0
8
+
0
η1
Figure 6.2 Multiplet de mĂ©sons JP = 0â: la position des mĂ©sons est assignĂ©e en fonction de
lâhypercharge et lâisospin. La colonne de droite montre la masse moyenne (en MeV) des diffĂ©rents
Ă©tats de charge dâun sous-multiplet dâisospin. On note ici que les Ă©tats propres de masse des parti-
cules η et ηâČ diffĂšrent des Ă©tats dâhypercharge-isospin η1 (singulet) et η8 (octet).
u
s
d
3I
Y
1/3
1/2-1/2
-2/3
Figure 6.3 Représentation fondamentale des quarks u, d et s.
118 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
Selon ce modĂšle, les baryons (antibaryons) sont formĂ©s de trois quarks (antiquarks),alors que les mĂ©sons sont formĂ©s dâun quark et dâun antiquark.
Plus tard, la construction dâaccĂ©lĂ©rateurs plus puissants a permis de dĂ©couvrir lâexis-tence de deux autressaveursde quarks (charmĂ© c et bottom b). Tout rĂ©cemment, en1995, lâexistence dâune sixiĂšmesaveur, le top t, fut confirmĂ©e.
On nâa jamais observĂ© directement de quarks isolĂ©s, mais leur existence physique estsupportĂ©e de façon indirecte par le bombardement de protons et de neutrons par un fais-ceau dâĂ©lectrons fortement accĂ©lĂ©rĂ©s. DĂšs la fin des annĂ©es â60, des expĂ©riences menĂ©es Ă lâaccĂ©lĂ©rateur linĂ©aire de Stanford rĂ©vĂ©lĂšrent que la distribution angulaire et Ă©nergĂ©tiquedes Ă©lectrons diffusĂ©s Ă©tait en accord avec le modĂšle; les Ă©lectrons semblaient entrer encollision avec des particules ponctuelles chargĂ©es Ă lâintĂ©rieur des protons et des neut-rons.
Puisque certains aspects du modĂšle des quarks sont mieux compris avec le langage dela thĂ©orie des groupes, la premiĂšre partie de ce chapitre introduit certains concepts utilessur les groupes. Ces concepts peuvent sembler abstraits ou mĂȘme peu utile Ă prime abord.Câest pourquoi nous tenterons de visualiser chacun de ces concepts dans le contexte dâungroupe bien connu en mĂ©canique quantique, le groupe qui dĂ©crit le spin et lâisospin,SU(2).
Nous Ă©tablirons aussi le lien entre la reprĂ©sentation du groupeSU(N) et le modĂšledes quarks, pour ensuite construire les fonctions dâonde associĂ©es aux baryons et auxmĂ©sons.
Par la suite, nous considĂ©rerons les extensions du modĂšle original, i.e. lâajout de troisnouvellessaveurset lâintroduction du concept de lacouleur. Certaines propriĂ©tĂ©s sta-tiques (masse, moment magnĂ©tique) des quarks seront Ă©tudiĂ©es, ainsi que leur dynamique(interactions fortes et faibles).
6.2 Théorie des groupes
Commençons par dĂ©crire formellement ce quâest un groupe.
PropriĂ©tĂ©s gĂ©nĂ©rales dâun groupe
Les groupes de transformation considérés ici sont desgroupes continus, i.e. que lesparamÚtres décrivant les transformations sont des variables continues.
Un groupeG est formĂ© dâun ensemble dâĂ©lĂ©ments(a, b, c, ...) et dâune rĂšgle de com-position (notĂ©e ici par le symbole). Il possĂšde les propriĂ©tĂ©s suivantes:
1. Relation de fermeture:Si a etb sont des éléments du groupeG, alorsa b est également un élément deG
âa, b â G : a b â G. (6.1)
2. Existence dâun Ă©lĂ©ment identitĂ©:Il existe un Ă©lĂ©ment-identitĂ©I tel que pour tout Ă©lĂ©menta deG, la relationa I =
6.2 Théorie des groupes 119
I a = a est satisfaite,
âa â G, âI â G : a I = I a = a. (6.2)
3. Existence dâun Ă©lĂ©ment inverse:Chaque Ă©lĂ©menta du groupe possĂšde un inverse uniqueaâ1 tel queaaâ1 = aâ1 a = I,
âa â G, âaâ1 â G : a aâ1 = aâ1 a = I. (6.3)
4. Associativité:Sia, b etc sont des éléments deG, alors la relation(ab)c = a(bc) est satisfaite,
âa, b, c â G : (a b) c = a (b c). (6.4)
Groupe de Lie (compact)
Les groupes de Lie compacts sont particuliĂšrement utiles en physique des particules(e.g. le groupeSU(2) de l âisospin). Il sont caractĂ©risĂ©s par des transformations uni-taires continues, câest-Ă -dire que chaque transformation est dĂ©finiepar un ensemble deparamĂštres continus et une loi de multiplication qui dĂ©pend de maniĂšre monotone desparamĂštres.
Ces transformations sont Ă©quivalentes Ă une reprĂ©sentation dâopĂ©rateur unitaire
U = eiαaTa
oĂč αa â â aveca = 1, 2, 3, ..., N . Ta sont des opĂ©rateurs hermitiques linĂ©airementindĂ©pendants qui sont souvent identifiĂ©s aux gĂ©nĂ©rateurs du groupe. DansSU(2), Upeut ĂȘtre assimilĂ© Ă la notion de rotation dans lâespace des spins ou isospins.
ConsidĂ©rons le produit suivant dâĂ©lĂ©ments du groupe (pouvant par exemple reprĂ©-senter des rotations infinitĂ©simales successives dans lâespace des spins ou isospins pourSU(2)),
P = eiλTbeiλTaeâiλTbeâiλTa
= 1 + λ2 [Ta, Tb] + · · ·oĂčλ est infinitĂ©simal. La propriĂ©tĂ© de fermeture du groupe nous permet dâĂ©crire
P = eiαcTc = 1 + iαcTc + · · ·
Il en dĂ©coule quâĂ lâordreλ2,
λ2 [Ta, Tb] = iαcTc
et quâen Ă©crivantαc = λ2fabc, on obtient lâidentitĂ©
[Ta, Tb] = ifabcTc
qui dĂ©finit lâalgĂšbre du groupe. Les quantitĂ©sfabc, appelĂ©es constantes de structure, sontdes paramĂštres constants qui caractĂ©risent chaque groupe.
Les propriĂ©tĂ©s de cyclicitĂ© des gĂ©nĂ©rateurs se traduisent par une identitĂ© trĂšs impor-tante en thĂ©orie des groupes, lâidentitĂ© de Jacobi
[Ta, [Tb, Tc]] + [Tc, [Ta, Tb]] + [Tb, [Tc, Ta]] = 0
© 1997 L. Marleau
120 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
ou encorefbcdfade + fabdfcde + fcadfbde = 0.
PourSU(2), la relation de commutation sâĂ©crit
[Ji, Jj ] = iǫijkJk
oĂč on reconnaĂźt le tenseur de Levi-Civita.
Représentations
Pour tout Ă©lĂ©mentx dâun groupe, il existe un opĂ©rateur unitaireD(x). Par ailleurs, sion a deux Ă©lĂ©ments du groupex ety et que
D(x) ·D(y) = D(x · y)alorsD(x) est appelé unereprésentation. De plus, siD est diagonalisable en bloc on ditque la représentation est réductible. Il est donc possible de trouver une matriceS telleque
DâČ = SDSâ1
est diagonale en bloc, par exemple
a b c 0 0 0d e f 0 0 0g h i 0 0 00 0 0 j k 00 0 0 l m 00 0 0 0 0 n
.
Dans le cas contraire oĂčD nâest pas diagonalisable en bloc, la reprĂ©sentation est diteirrĂ©ductible. Deux reprĂ©sentations sont particuliĂšrement intĂ©ressantes:
La reprĂ©sentation fondamentale:câest la plus petite reprĂ©sentation irrĂ©ductible (i.e.qui ne contient pas de sous-espace invariant) et non-triviale du groupe. PourSU(2), ilsâagit dâun doublet
X =X1
X2.La représentation adjointe: les constantes de structure du groupe génÚrent elles-
mĂȘmes une reprĂ©sentation, la reprĂ©sentation adjointe, de lâalgĂšbre. Posons un ensemblede matrices dĂ©finies par
(Ta)bc ⥠ifabcalors(Ta)bc obéit forcément à la relation
[Ta, Tb] = ifabcTc
Ă cause de lâidentitĂ© de Jacobi. De plus, il est facile de prouver que
Tr [TaTb] = λ Ύab
fabc = â i
λTr [[Ta, Tb]Tc] .
PourSU(2), la représentation adjointe est défini par le tenseur de Levi-Civita.
6.2 Théorie des groupes 121
Racine, rang et poids
Puisque les gĂ©nĂ©rateurs dâun groupe dĂ©finissent les transformations, il ne faut pas sâĂ©-tonner quâun certain nombre de propriĂ©tĂ©s associĂ©es Ă ce groupe dĂ©coulent directementde lâanalyse des gĂ©nĂ©rateurs.
Rang:
On peut tout dâabord diviser les gĂ©nĂ©rateurs dâun groupe en deux ensembles:
1. Les opérateurs hermitiques diagonaux,Hi (e.g.J3 dansSU(2))
2. Les opĂ©rateurs de crĂ©ation et dâannihilihation,Eα (e.g.J± dansSU(2)).
ConsidéronsTa, les générateurs dont les combinaisons linéairesHi aveci = 1, 2, ...,msont diagonales, hermitiques et possÚdent les propriétés suivantes:
1.Hi = CiaTa,
2. [Hi,Hj ] = 0,
3. Tr[HiHj ] = kDÎŽij ,
4.m est le plus grand possible.
Alors, le rangm est le nombre maximum dâopĂ©rateurs hermitiques diagonalisables.Physiquement, ceci correspond aux nombre maximum de nombres quantiques qui dĂ©ter-minent un Ă©tat. DansSU(2) par exemple, le rang est de 1.
Poids:
Posons des Ă©tats caractĂ©risĂ©s par deux quantitĂ©s” et D, le vecteur de poids dontles composantes sont”i et la reprĂ©sentation, respectivement. Sous les opĂ©rateurs hermi-tiquesHi, les Ă©tats propres|”,Dă deviennent
Hi |”,Dă = ”i |”,DăoĂč”i, les poids, sont les valeurs propres deHi.
Puisque dansSU(2), le rang estm = 1, il existe un seul opĂ©rateur hermitique dia-gonalisable qui correspond Ă J3. DĂ©pendant de la reprĂ©sentation (singulet, doublet, tri-plet,...), le vecteur de poids, qui ici ne possĂšde quâune seule composante, peut prendreles valeurs
” = âJ,âJ + 1, ...., J â 1, J.La quntitĂ©J , comme on le voit, est le poids le plus Ă©levĂ© de la reprĂ©sentation.
Racines:
Dans la reprĂ©sentation adjointe, chaque Ă©tat correspond Ă un gĂ©nĂ©rateur du groupe. Ilsont reprĂ©sentĂ©s par la matrice(Ta)bc = âifabc. En abrĂ©geant la notation on peut Ă©crire
Ta â |Taă
© 1997 L. Marleau
122 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
avec un produit scalaire défini par
ăTa |Tbă = λâ1Tr[
T â aTb
]
.
Lâaction dâun gĂ©nĂ©rateur sur ces Ă©tats est
Ta |Tbă = |[Ta, Tb]ămais alors on connaĂźt dĂ©jĂ les vecteurs de poids nul puisquâon sait que les opĂ©rateurshermitiquesHi commutent entre eux
Hi |Hjă = |[Hi,Hj ]ă= 0.
Le reste des gĂ©nĂ©rateurs est dĂ©crit par les Ă©tats|Eαă tels que
Hi |Eαă = αi |Eαăce qui correspond au commutateur
[Hi, Eα] = αiEα.
Ces objets ne sont pas nécessairement hermitiques, alors on écrira[
Hi, Eâ α
]
= âαiEâ α
puisqueEâ α = Eâα.
En normalisant
ăEα |EÎČă = λâ1Tr[
Eâ αEÎČ
]
= ΎαÎČ
ăHi |Hjă = λâ1Tr [HiHj ] = ÎŽij .
DansSU(2), E±α = J± est lâopĂ©rateur de crĂ©ation/annihilation etHi = J3 est lâopĂ©-rateur hermitique diagonal.
Les vecteurs de poids,” = α, de la reprĂ©sentation adjointe sont appelĂ©sracines.LâopĂ©rateur de crĂ©ation/annihilation Ă©lĂšve ou abaisse la valeur propre du nouvel Ă©tat
E±α |”,Dă = N±α,” |”±α,DăEn utilisant ces Ă©tats, on peut prouver que le produit scalaire des vecteurs” etα
α · ” = âpâ q
2α2
oĂč p et q sont des entiers. Il en dĂ©coule que le produit scalaire de deux racinesα etÎČobĂ©itt aux relations suivantes
α · ÎČ = âm
2α2
α · ÎČ = âmâČ
2ÎČ2
oĂčm etmâČ sont des entiers. Mais alors lâangle entre les deux vecteursα etÎČ est
cos2 Ξ =α · ÎČα2ÎČ2 =
mmâČ
4.
6.2 Théorie des groupes 123
Le couple dâentiersm etmâČ dĂ©finit donc les seuls angles possibles, soient:
(m,mâČ) mmâČ Îž
(0,mâČ), (m, 0) 0 Ï2
(1, 1) 1 Ï3 ,
2Ï3
(1, 2), (2, 1) 2 Ï4 ,
3Ï4
(1, 3), (3, 1) 3 Ï65Ï6
(1, 4), (2, 2), (4, 1) 4 0, Ï
Rotation en 2D â groupe SO(2)
Isomorphe Ă U(1)
Rotation en 3D â groupe SO(3)
Homomorphe Ă SU(2)
Groupe U(1)
U (1) est le groupe le plus simple. Il inclut lâensemble de tous les facteurs de phasecomplexesU(H) = eiH , oĂčH est un paramĂštre scalaire rĂ©el. La rĂšgle de compositionest la multiplication:
U(H)U(H âČ) = eiHeiHâČ
= ei(H+HâČ)
= U(H +HâČ)
= U(H âČ)U(H)
Ă lâinstar des groupes de la section suivante, ce groupe est commutatif ou abĂ©lien puisqueces Ă©lĂ©ments commutent.
Groupe SU(N)
Les Ă©lĂ©ments du groupeSU(N) sont reprĂ©sentĂ©s par des matricesN ĂN unitaires,dont le dĂ©terminant est Ă©gal Ă 1. Le groupeSU(N) lui-mĂȘme est caractĂ©risĂ© parN2 â 1paramĂštres indĂ©pendants, notĂ©sKi. Les Ă©lĂ©ments du groupe sont reprĂ©sentĂ©s par:
U = eiL = eiKjLj
= ei(K1L1+K2L2+K3L3+···)
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124 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
oĂč
j = 1, 2, 3, ..., N2 â 1
Kj = paramÚtres réels
Lj = matricesN ĂN hermitiennes,
appeléesgénérateursdu groupe
Les générateurs du groupe obéissent à la relation:
[Li, Lj ] = ifijkLk (6.5)oĂč lesfijk sont les constantes de structure du groupe.
La plus petite représentation irréductible (i.e., qui ne contient pas de sous-espaceinvariant) et non-triviale du groupe est de dimensionN . On la nommereprésentationfondamentaledu groupe:
X =
X1
X2
X3
...XN
. (6.6)
LesN2â1 gĂ©nĂ©rateurs dâun groupeSU(N) peuvent ĂȘtre regroupĂ©s en deux catĂ©gories:
1. les opĂ©rateurs hermitiques diagonaux dont le nombre maximal estN â 1 (le rang estdoncN â 1);
2. les opĂ©rateurs de crĂ©ation et dâannihilation qui sont donc au nombre deN(N â 1).
Le groupeSU(2)
Regroupons maintenant les propriétés du groupeSU(2) décrites plus haut. La repré-sentation fondamentale du groupeSU(2) est un doublet:
X =X1
X2. (6.7)
En fait, tout Ă©tat peut donc ĂȘtre construit comme une combinaison linĂ©aire des deux vec-teurs de base 1
0et01.
Les gĂ©nĂ©rateurs sont proportionnels aux trois matrices de Pauli (i.e.Ji =12Ïi):
J1 =1
20 1
1 0, J2 =1
20 âi
i 0, J3 =1
21 0
0 â1. (6.8)
On note quâun seul gĂ©nĂ©rateur est diagonal puisque le rang est de 1.De plus, tout Ă©lĂ©ment deSU(2) peut sâĂ©crire
U(K1,K2,K3) = ei(K1J1+K2J2+K3J3). (6.9)
Une transformation arbitraire deX est alors notée:
6.2 Théorie des groupes 125
X â XâČ = U(K1,K2,K3)X. (6.10)Les constantes de structure deSU(2) sont les composantes du tenseur antisymĂ©trique deLevi-Civita:
fijk = Ç«ijk =
+1 si (ijk) est une permutation paire de(123)â1 si (ijk) est une permutation impaire de(123)0 autrement
(6.11)
Les trois gĂ©nĂ©rateurs peuvent ĂȘtre regroupĂ©s sous la forme:
1. opérateur hermitique diagonal:J3;
2. opĂ©rateur de crĂ©ation:J+ = 1â2(J1 + iJ2);
3. opĂ©rateur dâannihilation:Jâ = 1â2(J1 â iJ2).
Il est facile de dĂ©montrer queJ± a pour effet dâĂ©lever ou de rĂ©duire dâune unitĂ© lavaleur propre deJ3 dâun Ă©tat. Posons un Ă©tat|mă tel que
J3 |mă = m |mă .Alors en utilisant la relation de commutation
[J3, J±] = ±J±
on obtient
J3J± |mă = J±J3 |mă ± J± |mă= (m± 1)J± |mă .
On en conclut donc que lâĂ©tatJ± |mă a la valeur propre(m± 1) et correspond Ă lâĂ©tat|m± 1ă . Sur un axe reprĂ©sentant les valeurs propres deJ3 (ou encore les Ă©tats propres),on note lâaction des opĂ©rateurs de crĂ©ation et dâannihilation sur les Ă©tats propres (voirfigure 6.4). Ceux-ci qui Ă©levent ou rĂ©duisent les valeurs propres (e.g. spin, isospin,...).
J3
+- JJ
Figure 6.4 Action des opĂ©rateurs de crĂ©ation et dâannihilation sur les Ă©tats propres.
Certains opérateurs commutent avec tous les générateurs du groupe. On les appelleles opérateurs de Casimir. Dans le cas deSU(2), un seul opérateur de Casimir est défini:
C = J2 = J+Jâ + JâJ+ + J23 =Ï
22 .Il est facile de déterminer la valeur de cet opérateur. Posons par exemple un état de spin
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126 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
|mmaxă dont la troisiĂšme composante est maximale dans le multiplet de spinJ . Alors
J3 |mmaxă = mmax |mmaxăoĂčmmax = J et lâopĂ©rateur de Casimir qui agit sur cet Ă©tat donne
C |mmaxă =(
J+Jâ + JâJ+ + J23
)
|mmaxă= mmax (mmax + 1) |mmaxă= J (J + 1) |mmaxă
Le groupeSU(3)
La représentation fondamentale, souvent simplement dénotée par3,du groupeSU(3)est un triplet:
X =
X1
X2
X3
. (6.12)
Tout Ă©tat peut donc ĂȘtre construit comme une combinaison linĂ©aire des trois vecteurs debase
100
,
010
et
001
.
Les huit générateursTa obéissent aux relations
[Ta, Tb] = âifabcTc
Ta, Tb =1
3ÎŽab + dabcTc
oĂč fabc et dabc sont les constantes de structures symĂ©trique et antisymĂ©trique. On Ă©critsouvent les gĂ©nĂ©rateurs du groupeSU(3) en terme des matrices de Gell-Mann
Ta =λa
2.
Les huit matrices de Gell-Mann sont:
λ1 =1
2
0 1 01 0 00 0 0
, λ2 =1
2
0 âi 0i 0 00 0 0
,
λ4 =1
2
0 0 10 0 01 0 0
, λ5 =1
2
0 0 âi0 0 0i 0 0
,
λ6 =1
2
0 0 00 0 10 1 0
, λ7 =1
2
0 0 00 0 âi0 i 0
,
λ3 =1
2
1 0 00 â1 00 0 0
, λ8 =1â3
1 0 00 1 00 0 â2
.
Il est possible de faire ressortir le sous-groupeSU(2) deSU(3) en éliminant des matrices3à 3 les rangées et colonnes qui ne contiennent que des zéros. On retrouve en effet les
6.2 Théorie des groupes 127
deux premiĂšres matrices de Pauli Ă lâintĂ©rieur deλ1 et λ2, deλ4 etλ5, et deλ6 etλ7,respectivement. Ces trois couples de matrices forment donc respectivement des sous-groupeSU(2) qui sont appelĂ©s le sous-groupe dâisospin (ouI-spin), le sous-groupe deV -spin et le sous-groupe deU-spin.
Les huit gĂ©nĂ©rateurs peuvent encore une fois ĂȘtre regroupĂ©s en deux catĂ©gories:
1. Opérateurs hermitiques diagonaux :
I3 =1
2λ3
Y =1â3λ8.
SU(3) est donc de rang 2.
2. Opérateurs de création/annihilation:
I± =1
2(λ1 ± iλ2)
V± =1
2(λ4 ± iλ5)
U± =1
2(λ6 ± iλ7).
De la mĂȘme façon quâon identifie le couple dâopĂ©rateurs de crĂ©ation/annihilation deSU(2) Ă des opĂ©rateurs de transformation entre les quarksu et d, on peut aussi as-socier les opĂ©rateurs de crĂ©ation/annihilation deSU(3) Ă des opĂ©rateurs de transfor-mation pour les couples suivants:
I± : (u, d)
V± : (d, s)
U± : (u, s).
souvent appelĂ©sIâspin,Vâspin etUâspin respectivement.
Les vecteurs de base ont les valeurs propres suivantes:
100
010
001
I312 â1
2 0Y 1
313 â2
3
Les vecteurs de base de la reprĂ©sentation fondamentale3 sont souvent reprĂ©sentĂ©s parleur position sur undiagramme de poidsdont les axes correspondent aux valeurs desopĂ©rateursI3 etY (voir figure 6.5). De façon gĂ©nĂ©rale, les reprĂ©sentations irrĂ©duc-tibles de dimension supĂ©rieure sont obtenu en combinant la reprĂ©sentation fondamentale.Les opĂ©rateurs deIâspin,Vâspin etUâspin (crĂ©ation/annihilation) permettent de sedĂ©placer sur le diagramme de poids (voir figure 6.6).
Dans le cas deSU(3), lâopĂ©rateur de Casimir est dĂ©fini:
C = TaTa =
1
2(I+Iâ + IâI+) + I23 +
1
2(U+Uâ + UâU+)
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128 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
3I
Y
1/3
1/2-1/2
-2/3
Figure 6.5 Diagramme de poids des vecteurs de base de la représentation fondamentale deSU(3).
3I
Y
1
-1 1
-1
I-spin
U-spin V-spin
Figure 6.6 Diagramme de poids de lâoctet: on note lâaction des opĂ©rateurs de crĂ©ation/annihilation.
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 129
+1
2(V+Vâ + VâV+) +
3
4Y 2.
On peut dĂ©terminer la valeur de cet opĂ©rateur en considĂ©rant un Ă©tat|Ïmaxă dont la troi-siĂšme composante dâisospin (I3) et dâhypercharge (Y ) sont Ă leur valeurs maximalesdans le multiplet. Alors
I3 |Ïmaxă = mmax |ÏmaxăY |Ïmaxă = Ymax |Ïmaxă
et lâopĂ©rateur de Casimir qui agit sur cet Ă©tat donne
C |Ïmaxă =(
I23 + 2I3 +3
4Y 2
)
|Ïmaxă .
Les constantes de structure deSU(3) sont quant à elles données par:
f123 = 1 (6.13)
f147 = f246 = f257 = f345 = f516 = f637 =1
2(6.14)
f458 = f678 =
â3
2. (6.15)
alors quefijk = âfjik = âfikj fiij = fijj = 0.
6.3 Quarks et Représentations SU(N)
Lien entre représentation SU(N) et modÚle des quarks
Du point de vue mathĂ©matique, lâidĂ©e de base derriĂšre le modĂšle des quarks estdâidentifier les composantes de la reprĂ©sentation fondamentale dâun groupe avec lesdiffĂ©rentes saveurs de quarks. Ainsi, si on ne regardait que les multiplets dâisospin, ilserait appropriĂ© de considĂ©rer le groupeSU(2):
SU(2) : X =
(
X1
X2
)
=
(
ud
)
(6.16)
qui nécessite seulement deux quarks.Cependant, les hadrons sont en général décrit par deux étiquettes: la troisiÚme com-
posante dâisospin et lâhypercharge. Ceci implique donc un groupe de rang 2 (deux opĂ©-rateurs hermitiques, donc deux valeurs propres rĂ©elles). Le choix du groupe pointe toutnaturellement vers une extension du groupe dâisospin, câest-Ă -dire le groupeSU(3) dontla reprĂ©sentation fondamentale est un triplet,
SU(3) : X =
X1
X2
X3
=
uds
, (6.17)
formé de trois quarks.
© 1997 L. Marleau
130 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
Les états physiques (baryons et mésons) sont obtenus à partir des représentations dedimension supérieure.
1. Baryons:Les baryons sont des Ă©tats Ă trois quarks. Dans le modĂšle original Ă trois saveurs, onforme donc le produit de la reprĂ©sentation3 avec elle-mĂȘme:
3â 3â 3 = 27 (6.18)
Cette nouvelle représentation (à laquelle on associe 27 états) est cependant réductible.Elle peut se décomposer en représentations irréductibles, sous la forme:
3â 3â 3 = 10â 8â 8âČ â 1 (6.19)
En couplant les trois triplets originaux, on peut donc former un dĂ©cuplet10, 2 octets8â 8âČ et un singulet1 ( i.e., les multiplets dâisospin et dâĂ©trangetĂ©)
2. MĂ©sons:Les mĂ©sons sont formĂ©s dâun quark et dâun antiquark. Notant3 la reprĂ©sentationconjuguĂ©e Ă 3, on obtient:
3â 3 = 8â 1 (6.20)Cette fois-ci, les reprĂ©sentations irrĂ©ductibles formĂ©es sont un octet et un singulet.
Chaque multiplet formĂ© est caractĂ©risĂ© par ses propriĂ©tĂ©s de symĂ©trie: il est symĂ©t-rique, antisymĂ©trique ou Ă symĂ©trie mixte sous lâĂ©change de deux de ses composantes.
Représentations irréductibles et Tableaux de Young
Les rĂ©sultats prĂ©cĂ©dents sur les reprĂ©sentations irrĂ©ductibles ont Ă©tĂ© citĂ©s sans plusdâexplications. On est en droit de se demander dâoĂč viennent ces rĂ©sultats. Pourquoi27
est-il réductible? etc...En général, la combinaisons des représentations et leurs propriétésne sont pas évidente à premiÚre vue.
Mais revenons tout dâabord sur les reprĂ©sentatinos irrĂ©ductibles deSU(3). Nousconnaissons dĂ©jĂ le triplet
Xi
et lâoctet qui peut sâĂ©crire comme le produit de deux triplets oĂč on sâest assurĂ© que latrace est nulle, i.e.
Xij = XiXj â1
3ÎŽijXkXk.
De maniÚre plus générale, on construit des multiplets de représentation irréductible enutilisant la procédure suivante:
1. Construire les tenseursXj1···jqi1···ip en général comme des produits de la représentation
fondamentaleXi.
2. Symétriser par rapport aux indicesi1 · · · ip et j1 · · · jq.
3. Soustraire les traces de maniĂšre Ă ce que la contraction des indices du tenseur soit
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 131
nulleÎŽi1j1X
j1···jqi1···ip = 0.
Le tenseur qui en résulte forme alors une représentation irréductibleXj1···jqi1···ip caracté-
risée par les entiers(p, q). Il est facile de trouver la dimension de cette représentation encalculant le nombre de composantes indépendantes de ce tenseur. Rappelons que chaqueindiceia oujb ne peut prendre que trois valeurs (1, 2 ou 3) dans le groupeSU(3). Alorsle nombre de façon de combiner les indicesi1 · · · ip coresponds aux nombres de combi-naisons (
p
2
)=
(p+ 2)!
p!2!=
(p+ 2) (p+ 1)
2.
Il y a donc
N (p, q) =(p+ 2) (p+ 1) (q + 2) (q + 1)
4combinaisons différentes du tenseurX
j1···jqi1···ip en général. Mais la condition de trace nulle
impose que tous les tenseurs constractĂ©s dâun indice sont nuls. AprĂšs contraction, il nereste queN (pâ 1, q â 1)combinaisons diffĂ©rentes pourXi1···jq
i1···ip qui sont alors tous nuls.Le nombre de degré de liberté ou la dimension du tenseur est donc
D(p, q) = N (p, q)âN (pâ 1, q â 1)
= (p+ 1) (q + 1)
(p+ q
2+ 1
).
On peut donc caractĂ©riser les reprĂ©sentatoin deSU(3) par le couple dâentiers(p, q).
Représentation(p, q) DimensionD(p, q)
(0, 0) 1 : singulet(1, 0) 3 : triplet(0, 1) 3 : triplet(1, 1) 8 : octet(3, 0) 10 : décuplet(2, 2) 27
Par dĂ©duction, il nous a Ă©tĂ© possible de construire des reprĂ©sentations de dimensionssupĂ©rieures en prenant des produits directs de la reprĂ©sentation fondamentale. Les pro-priĂ©tĂ©s de rĂ©ductibilitĂ© des reprĂ©sentations nâa toutefois pas Ă©tĂ© abordĂ©. Heureusement,il existe des mĂ©thodes systĂ©matiques pour construire reprĂ©sentations irrĂ©ductibles et endĂ©terminer les symĂ©tries dont la plus simple est sans nul doute la mĂ©thode destableauxde Young.Elle procĂšde comme suit:
On identifie dâabord la reprĂ©sentation fondamentaleN du groupe par une case et lareprĂ©sentation fondamentale conjuguĂ©eN par une colonne deN â 1 cases:
N : (6.21)
© 1997 L. Marleau
132 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
N :
...
(6.22)
On forme les représentations de dimension supérieure en juxtaposant de toutes les façonspossibles ces cases, tout en respectant les conditions suivantes:
1. Le nombre de cases par colonne doit aller en ordre décroissant vers la droite.
2. Le nombre de cases par ligne doit aller en ordre décroissant vers le bas.
On pourrait assigner Ă chacune des cases une Ă©tiquette (e.g.a, b, c....). Alors unereprĂ©sentation (par exemple, un tenseur portant les Ă©tiquettesa, b, c....) est dĂ©terminĂ©epar les Ă©tiquettes du tableau de Young. La reprĂ©sentation est alors antisymĂ©trique parrapport Ă lâĂ©change de deux Ă©tiquettes dâune mĂȘme colonne et symĂ©trique par rapport Ă lâĂ©change de deux Ă©tiquettes dâune mĂȘme ligne.
Exemple 6.1
3â 3 = 3â 6
â = â (6.23)
Exemple 6.2
3â 3 = 1â 8
â = â (6.24)
Exemple 6.3
3â 3â 3 = 1â 8â 8âČ â 10
â â =
(â
)â
=
â
â
(â
)
On peut associer à chacune des combinaisons de cases (i.e., à chacun des tableaux deYoung) obtenues ci-haut une représentation irréductible. On détermine dans chaque casleur état de symétrie et leur dimension grùce aux rÚgles suivantes:
Symétrie:
On pourrait assigner à chacune des cases une étiquette (e.g.a, b, c....). Alors une re-présentation (par exemple, un tenseur portant les étiquettesa, b, c....) est déterminée par
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 133
les Ă©tiquettes du tableau de Young. De maniĂšre gĂ©nĂ©rale, une reprĂ©sentation est alors anti-symĂ©trique par rapport Ă lâĂ©change de deux Ă©tiquettes dâune mĂȘme colonne et symĂ©triquepar rapport Ă lâĂ©change de deux Ă©tiquettes dâune mĂȘme ligne.
Regardons de nouveau le premier exemple,3â 3 = 3â 6. Si la reprĂ©sentation fon-damentale est dĂ©crite par le vecteurÏa et la reprĂ©sentation conjuguĂ©e parÏb, alors lacombinaison de deux reprĂ©sentations fondamentale peut sâĂ©crire
ÏaÏb =1
2(ÏaÏb â ÏaÏb) +
1
2(ÏaÏb + ÏaÏb)
= Aab + Sab
oĂč Aab et Sab sont antisymĂ©trique et symĂ©trique sousa â b et de dimensions 3 et 6respectivement.
Aab =1â2(ÏaÏb â ÏaÏb)
Sab =1â2(ÏaÏb + ÏaÏb)
Les tableaux de Young nous permettent dâobtenirotenir ces rĂ©sultats sans construireexplicitement les reprĂ©sentations. En assignant cette fois-ci des Ă©tiquettes Ă chaque case:
a â b =ab
â a b (6.25)
oĂč la reprĂ©sentationab
est le triplet conjugué3 (dimension 3) antisymétrique sous
a â b alors que a b est le sextuplet6 (dimension 6) symĂ©trique sousa â b.Les tableaux de Young comportant une seule ligne sont associĂ©s Ă une reprĂ©sentation
complÚtement symétrique. Les tableaux de Young comportant une seule colonne sontassociés à une représentation complÚtement antisymétrique. Les autres tableaux corres-pondent quant à eux à des symétries mixtes. Par exemple, si on assigne au tableau suivantles indicesa, b et c :
a bc
(6.26)
alors la reprĂ©sentation correspondante sera symĂ©trique par rapport Ă lâĂ©change des indicesa etb mais, antisymĂ©trique par rapport Ă lâĂ©change des indicesa et c.
Dimension dâune reprĂ©sentation
La dimension dâune reprĂ©sentation est donnĂ©e par le rapport de deux nombres, quisont Ă©valuĂ©s comme suit:
1. NumĂ©rateur: Pour calculer le numĂ©rateur, on associe dâabord le nombreN (dimen-sion du groupeSU(N)) Ă la premiĂšre case en haut Ă gauche et aux autres cases de ladiagonale. On associe les nombresN + 1, N + 2, N + 3, ... aux cases suivantes etles nombresN â 1, N â 2, N â 3, ... aux cases prĂ©cĂ©dentes sur chacune des lignes.Le numĂ©rateur est alors donnĂ© par le produit de tous ces nombres.
2. Dénominateur: à partir de chacune des cases du tableau, on trace une ligne versla droite et une ligne vers le bas, puis on compte le nombre total de cases croisées
© 1997 L. Marleau
134 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
par ces deux lignes. On répÚte pour chacune des cases du tableau et on obtient ledénominateur en faisant le produit de tous ces nombres.
Exemple 6.4Prenons le tableau de Young suivant:
N N + 1 N + 2
N â 1 N
N â 2 N â 1
(6.27)
alors le numérateur est donné par
N · (N + 1) · (N + 2) · (N â 1) ·N · (N â 2) · (N â 1) (6.28)
Le calcul du dénominateur assigne les nombres suivants à chacune des cases:
5 4 1
3 22 1
(6.29)
alors le dénominateur est donné par
5 · 4 · 1 · 3 · 2 · 2 · 1 (6.30)
La dimension de la représentation est alors
D =N2 · (N + 1) · (N + 2) · (N â 1)2 · (N â 2)
5 · 4 · 1 · 3 · 2 · 2 · 1(6.31)
Exemple 6.5Pour prendre un exemple concret, considĂ©rons les reprĂ©sentations obtenues par le produit3â3â3:
â â = â â â (6.32)
1. Ătats complĂštement symĂ©trique (S):
(6.33)
Ici, la dimension est donnée par
D =N · (N + 1) · (N + 2)
3 · 2 · 1
=3 · 4 · 5
3 · 2 · 1= 10
et correspond donc à un décuplet complÚtement symétrique.
2. Ătats Ă symĂ©trie mixte (M):
(6.34)
Le calcul de la dimension donne
D =N · (N + 1) · (N â 1)
3 · 1 · 1
=3 · 4 · 2
3 · 1 · 1= 8
ce qui correspond à un octet à symétrie mixte.
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 135
3. Ătats complĂštement antisymĂ©trique (A):
(6.35)
Le calcul de la dimension donne
D =N · (N â 1) · (N â 2)
3 · 2 · 1
=3 · 2 · 1
3 · 2 · 1= 1
ce qui correspond à un singulet complÚtement antisymétrique.
Finalement on a de façon schématique:
3â 3â 3 = 10Sâ8Mâ8âČ
M â 1A (6.36)
Construction des fonctions dâonde
Baryons
ConsidĂ©rons maintenant plus en dĂ©tail la façon dont on forme les fonctionsdâondeassociĂ©es aux baryonsSU(3), obtenus par combinaison de 3 quarks de 3 saveurs diffĂ©-rentes(u, d, s).
Le systĂšme de 3 quarks, chacun provenant dâun triplet3 de saveur deSU(3), estconstruit par la combinaison
3â 3â 3.
Par la méthode des tableaux de Young, on détermine les représentations irréductiblesgénérées par ces combinaisons:
â â = â â â (6.37)
câest-Ă -dire,
3â 3â 3 = 10S â 8M â 8âČM â 1A (6.38)
Les 27 Ă©tats sont reprĂ©sentĂ©s dans les tableaux suivants. Il est alors facile dâassocierĂ chacun de ces Ă©tats un baryons. Le dĂ©cuplet10S correspond aux particules avecJP =32
+
1997 L. Marleau
136 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
3 particulesSU(3), états symétriques (JP = 32
+)
Constituants 10S
â++(uuu) uuuâ+(uud) 1â
3(uud+ udu+ duu)
â0(udd) 1â3(udd+ dud+ ddu)
ââ(ddd) dddÎŁâ+(uus) 1â
3(uus+ usu+ suu)
ÎŁâ0(uds) 1â6(uds+ dsu+ sud+ usd+ sdu+ dus)
ÎŁââ(dds) 1â3(dds+ dsd+ sdd)
Îâ0(uss) 1â3(uss+ sus+ ssu)
Îââ(dss) 1â3(dss+ sds+ ssd)
멉(sss) sss
(6.39)
Le diagramme de poids du décuplet10S est illustré à la figure 6.7
*
*
Î-*
ÎŁ +3
I
Y
1
1/2-1/2
-2
3/2-3/2
-1
â ââ â
ÎŁÎŁ
Î
Ω
-+++
0-
0
-
0
* * *
*
ÎŁ (1385)
Î (1534)
Ω(1672)
â (1232)
Figure 6.7 Diagramme de poids du décuplet de baryon.
Lâoctet 8M correspond aux particules avecJP = 12
+
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 137
3 particulesSU(3), Ă©tats mixtes (JP = 12
+)
Constituants 8M
p(uud) 1â2(udâ du)u
n(udd) 1â2(udâ du) d
ÎŁ+(uus) 1â2(usâ su)u
ÎŁ0(uds) 12 (dsu+ usdâ s (ud+ du))
ÎŁâ(dds) 1â2(dsâ sd) d
Î0(uds) 1â12
(s (duâ ud) + usdâ dsuâ 2 (duâ ud) s)
Îâ(dss) 1â2(dsâ sd) s
Î0(uss) 1â2(usâ su) s
(6.40)
Le diagramme de poids du8M est illustrĂ© Ă la figure 6.8 Lâoctet8âČM correspond Ă des
ÎŁ (1193)
Î (1116)ÎŁ ÎŁ
+ 3I
Y
1
-1 1
-1
ÎŁ
Î Î
0
-
-
0
pn
Î
N(939)
Î(1318)
Figure 6.8 Diagramme de poids de lâoctet de baryon.
baryons plus lourds.
© 1997 L. Marleau
138 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
3 particulesSU(3), Ă©tats mixtes
Constituants 8M,S
uud 1â6((ud+ du)uâ 2uud)
udd â 1â6((ud+ du) dâ 2ddu)
uus 1â6((us+ su)uâ 2uus)
uds 1â12
(s (du+ ud) + dsu+ usdâ 2 (ud+ du) s)
dds 1â6((ds+ sd) dâ 2dds)
uds 12 (dsuâ usd+ s (duâ ud))
dss â 1â6((ds+ sd) sâ 2ssd)
uss â 1â6((us+ su) sâ 2ssu)
(6.41)
Finalement, le singulet1A correspond Ă la particulesÎ(1405)
3 particulesSU(3), états antisymétriques
Constituants 1A
usd 1â6(s (duâ ud) + (usdâ dsu) + (duâ ud) s)
(6.42)
MĂ©sons pseudo-scalaires
Les mĂ©sons sont construits par la combinaison de quarks et dâantiquarks (avec desspins anti-alignĂ©s et moment orbitall = 0) qui correspond aux reprĂ©sentions fondamen-tale et Ă son conjuguĂ© (e.g.3â 3 pourSU(3)).
Par la méthode des tableaux de Young, on obtient les représentations irréductiblessuivantes:
â = â (6.43)
soit3â 3 = 1A â 8M (6.44)
câest-Ă -dire un singulet antisymĂ©trique dans lâĂ©change de saveurs et un octet symĂ©trique.
Il est donc possible de reconstituer les Ă©tats comme suit: Lâoctet8M
particule-antiparticule dansSU(3), Ă©tats mixtes
Constituants 8M
Ï+(du) duÏ0(uu, dd) 1â
2(uuâ dd)
Ïâ(ud) udK+(su) suK0(sd) sdK0(ds) dsKâ(us) us
η8(uu, dd, ss)1â6
(uu+ ddâ 2ss
)
(6.45)
6.3 Quarks et Représentations SU(N) 139
et le singulet1A
particule-antiparticule dansSU(3), états antisymétriques
Constituants 1A
η1(uu, dd, ss)1â3
(uu+ dd+ ss
) (6.46)
Le diagramme de poids de lâoctet et du singulet de mĂ©sons pseudo-scalaires i.e. de spinet paritĂ©JP = 0â est illustrĂ© Ă la figure 6.9
'
+Ï Ï
3I
Y
1
-1 1
-1
Ï 0
-
-
K
η
K(496)
Ï (138)
η (958) η (549)
K(496)
K
KK
0
8
+
0
η1
Figure 6.9 Diagramme de poids de lâoctet et du singulet de mĂ©sons JP = 0+.
On note que les Ă©tatsη1 et η8 qui proviennent du singulet et de lâoctet respective-ment ont les mĂȘmes nombres quantiques et sont formĂ©s des mĂȘmes quarks. La seulepropriĂ©tĂ©s qui les distingue est la symĂ©trie sous le changement de saveurs. Dans un telcas, il est possible que les Ă©tat propres de masse notammentη(549) etηâČ(958) soient descombinaisons linĂ©aires deη1 etη8. Alors, on peut Ă©crire
âŁâŁâŁâŁÎ·Î·âČ
â©= R
âŁâŁâŁâŁÎ·1η8
â©ou
âŁâŁâŁâŁÎ·1η8
â©= Râ1
âŁâŁâŁâŁÎ·Î·âČ
â©
oĂčR est une matrice de mĂ©lange (rotation) dĂ©finie par
R =
(cos ΞP sin ΞPâ sin ΞP cos ΞP
).
Lorsque lâHamiltonien au repos (masse) est diagonal pour les Ă©tats propres de massesobĂ©issent Ă âš
ηηâČ
âŁâŁâŁâŁHâŁâŁâŁâŁÎ·Î·âČ
â©=
âšÎ·Î·âČ
âŁâŁâŁâŁ(
m2η 0
0 m2ηâČ
)âŁâŁâŁâŁÎ·Î·âČ
â©
alors que la mĂȘme valeur moyenne, mais cette fois Ă©valuĂ©e en utilisant les Ă©tatsη1 etη8comme base sâĂ©critâš
η1η8
âŁâŁâŁâŁHâŁâŁâŁâŁÎ·1η8
â©=
âšÎ·1η8
âŁâŁâŁâŁ(
m211 m2
18
m281 m2
88
)âŁâŁâŁâŁÎ·1η8
â©
© 1997 L. Marleau
140 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
=
âšÎ·Î·âČ
Rm211 m2
18
m281 m2
88Râ1
ηηâČ â©.
Il en découle quem218 = m2
81 et
m2η = m2
11 cos2 ΞP â 2m2
18 cos ΞP sin ΞP +m288 sin
2 ΞP
m2ηâČ = m2
11 sin2 ΞP + 2m2
18 cos ΞP sin ΞP +m288 cos
2 ΞP
0 = (m211 âm2
88) cos ΞP sin ΞP +m218sin2 ΞP â cos2 ΞP
En Ă©liminantm211 et m2
18 des relations prĂ©cĂ©dentes, on obtient une expression pourlâangle de mĂ©lange
tan2 ΞP =m2
88 âm2η
m2ηâČ âm2
88
.
De plus
tan ΞP =m2
88 âm2η
m218
ce qui implique queΞP > 0. On trouve expérimentalementΞP = 11o.
MĂ©sons vectoriels
Les mésons vectoriels sont formés de paires quark-antiquark avec des spin alignés etmoment orbitall = 0.
Un diagramme de poids similaire peut servir Ă illustrer les mĂ©sons vectoriels, i.e. despin et paritĂ©JP = 1â (voir figure 6.10) On note encore une fois que les Ă©tatsÏ1 et
*
Ï
-*K
Ï1
+Ï
3I
Y
1
-1 1
-1
Ï 0Ï -
K (982)
Ï(770)
Ï (1020) Ï(783)
K (982)
+K0* K*
K0*
*
8
Figure 6.10 Diagramme de poids de lâoctet et du singulet de mĂ©sons JP = 0+.
Ï8 qui proviennent du singulet et de lâoctet respectivement ont les mĂȘmes nombres quan-tiques et sont formĂ©s des mĂȘmes quarks. Il y a donc possibilitĂ© de mĂ©lange tout comme
6.4 Couleur 141
dans le cas des mésons pseudo-scalaires. De façon analogue, on obtient les relations
tan2 ΞV =m2
88 âm2Ï
m2Ï âm2
88
avec
tan ΞV =m2
88 âm2Ï
m218
ExpĂ©rimentalement,ΞV â 40o Mais rappelons que
Ï1 =1â3
(uu+ dd+ ss
)
Ï8 =1â6
(uu+ ddâ 2ss
)
Le mélange implique donc que
Ï = Ï1 cos ΞV + Ï8 sin ΞV
=1â3
(uu+ dd+ ss
)cos ΞV +
1â6
(uu+ ddâ 2ss
)sin ΞV
Ï = âÏ1 sin ΞV + Ï8 cos ΞV
= â 1â3
(uu+ dd+ ss
)sin ΞV +
1â6
(uu+ ddâ 2ss
)cos ΞV
ConsidĂ©rons le cas dumĂ©lange idĂ©al: Poursin ΞV = 1â3, le contenu deÏ est purement
dĂ» au quark Ă©trange alors queÏ est constituĂ© de quarku etd:
Ï =1â3
(Ï1 â
â2Ï8
)= ss
Ï =1â3
(â2Ï1 + Ï8
)=
1â2
(uu+ dd
).
6.4 Couleur
Lâintroduction de lacouleur comme nombre quantique supplĂ©mentaire pour dĂ©crireun quark avait pour but de rĂ©soudre un paradoxe. En effet, les quarks possĂ©dant un spindemi-entier, il est naturel de les considĂ©rer comme des fermions. Mais alors le principedâexclusion de Pauli semblerait suggĂ©rer que des hadronsexotiquestels que leâ++et leΩâ ne peuvent exister. Ils consistent respectivement de trois quarksu et de trois quarksset possĂšdent un spin Ă©gal Ă 3
2 . Les spins des trois quarks sont donc nĂ©cessairement alignĂ©s,ce qui implique quâils possĂšdent tous les trois les mĂȘmes nombres quantiques. La seulefaçon de rĂ©soudre ce paradoxe sans modifier profondĂ©ment le modĂšle des quarks est depostuler lâexistence dâune dĂ©gĂ©nĂ©rescence supplĂ©mentaire. Le nombre quantique associĂ©Ă cette dĂ©gĂ©nĂ©rescence fut nommĂ©ecouleur.
Groupe SU(3) de Couleur
© 1997 L. Marleau
142 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
En supposant lâexistence de trois couleurs diffĂ©rentes (rouge, vert et bleu), on peutposer une rĂšgle simple qui assure quâaucun quark isolĂ© ne puisse ĂȘtre observĂ©:
Tous les Ă©tats observables doivent ĂȘtre des singulets de couleur â aucun multiplet dedimension supĂ©rieure nâest permis.
Un tel singulet peut ĂȘtre construit de deux façons: en combinant un quark colorĂ© avecun antiquark possĂ©dant lâanticouleur correspondante (chacun des trois couleurs Ă©tant Ă©ga-lement reprĂ©sentĂ©es) ou encore en combinant trois quarks ou antiquarks de couleurs diffĂ©-rentes (un rouge, un vert et un bleu).
Cette rĂšgle sâinscrit Ă lâintĂ©rieur dâune thĂ©orie de jauge basĂ©e sur la couleur: la chro-modynamique quantique (ou QCD). Comme toute thĂ©orie de jauge, elle est fondĂ©e sur unpostulat dâinvariance: lemondeest invariant sous une transformation locale de couleur.Le groupe de symĂ©trie associĂ© Ă cette transformation est le groupeSUc(3), oĂč lâindicecsert Ă le distinguer du groupeSU(3) de saveur.
Contrairement Ă la symĂ©trie de saveur, qui est une symĂ©trie brisĂ©e (en raison de ladiffĂ©rence de masse entre les quarks up, down et Ă©trange) et globale, la symĂ©trieSUc(3)est une symĂ©trie exacte etlocale. Parlocale, on entend que la transformation considĂ©rĂ©edĂ©pend de lâespace et du temps. Les particules qui assurent la symĂ©trie locale de couleursont au nombre de huit et sont nommĂ©esgluons.
Par exemple, un quark donnĂ© peut changer de couleur indĂ©pendamment des autresquarks qui lâentourent, mais chaque transformation doit obligatoirement sâaccompagnerde lâĂ©mission dâun gluon (de la mĂȘme façon quâun Ă©lectron changeant de phase Ă©met unphoton). Le gluon Ă©mis se propage et est rĂ©absorbĂ© par un autre quark dont la couleurvariera de telle façon que le changement initial soit compensĂ©. On retrouve donc ici notrerĂšgle selon laquelle tout hadron demeure incolore.
Pour citer un exemple concret, supposons quâun quark rouge se transforme en quarkbleu. Pour cela, il devra Ă©mettre un gluon rouge-antibleu, qui une fois absorbĂ© par unquark bleu le transformera Ă son tour en quark rouge. La couleur globale est alors conservĂ©e,puisque le nombre total de quarks dâune couleur donnĂ©e sera le mĂȘme avant et aprĂšs leprocessus.
Les gluons agissent donc en quelque sorte comme les agents de la force forte Ă lâintĂ©-rieur du hadron. La force forteconventionnellequi sâexerce entre deux hadrons diffĂ©rentsnâest quâune interaction rĂ©siduelle par rapport Ă cette force originale, comme la force deVan der Walls lâest par rapport Ă la force Ă©lectromagnĂ©tique entre deux charges Ă©lect-riques.
Fonctions dâonde de couleur
Avec lâintroduction du nombre quantique de couleur, on peut reprĂ©senter la fonctiondâonde totaleÏ dâun hadron sous la forme:
Ï = Ï(spin) · Ï(spatial) · Ï(saveur) · Ï(couleur) (6.47)
Pour le baryons, la fonction dâondeÏ(couleur) est reprĂ©sentĂ©e symboliquement par lacombinaison complĂštement antisymĂ©trique suivante:
Ï(couleur) =1â6(RV B +BRV + V BRâRBV âBV Râ V RB) (6.48)
6.4 Couleur 143
LâĂ©change de deux quarks (par exemple, les deux premiers) donnera:
Ï(couleur) â ÏâČ(couleur) =
=1â6(V RB +RBV +BV R
âBRV â V BRâRVB)
= âÏ(couleur)
Pour les mĂ©sons, la fonction dâonde sera symĂ©trique (puisque ce sont des bosons):
Ï(couleur) =1â3(RR+ V V +BB). (6.49)
Ăvidence expĂ©rimentale
LâhypothĂšse de lâexistence de la couleur est supportĂ©e par lâexpĂ©rience. Par exemple,lors dâannihilations Ă©lectron-positron on observe que les particules produites peuventĂȘtre, soit une paire muon-antimuon, soit une paire quark-antiquark se transformant enjets de baryons. La section efficaceÏ pour ce dernier processus sera:
Ï(e+eâ â hadrons) = Ï(e+eâ â qiqi)
= Ï(e+eâ â q1q1) + Ï(e+eâ â q2q2) + · · ·oĂč i = 1, 2, ..., n etn = nombre total de types de quarks (saveur et couleur comprises).
Puisque la section efficace de Rutherford est proportionnelle au carré de la chargeélectrique du diffuseur, on peut écrire:
R =Ï(e+eâ â hadrons)
Ï(e+eâ â ”+”â)=
â
i Q2i
Q2”
(6.50)
oĂčQi = charge Ă©lectrique du quarki etQ” = charge Ă©lectrique du muon.Si trois saveurs de quarks â soitu,d etsâ peuvent ĂȘtre produites (nous considĂ©rons
ici que nous sommes en-dessous du seuil de création de quarks lourds), on a donc:
R =Q2
u +Q2d +Q2
s
Q2”
=232 +â132 +â1
321
=2
3En introduisant la couleur, ce rapport triple pour passer Ă R = 2.
R =
â3j=1Q
2uj +Q2
dj +Q2sj
Q2”
= 2
oĂč j = 1, 2, 3 est lâindice de couleur.MalgrĂ© une marge dâerreur importante, les rĂ©sultats expĂ©rimentaux montrent que ce
rapport est prĂšs de2 (quarksu, d et s), en accord avec lâhypothĂšse de la couleur. On
© 1997 L. Marleau
144 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
observe par ailleurs, des sauts dans ce rapport lorsque le seuil du quark charmé et duquark bottom est franchi ce qui porte successivement la valeur deR théorique à R = 10
3(quarksu, d, s et c) etR = 11
3 (quarksu, d, s, c et b) (voir figure 6.11).
R
Ecm (GeV)
10 15 5510 20 25 30 35 40 45 50 602
3
4
5
R
2 3 4 5 6 71
2
3
4
5
6
MARK IMARK I/LGW
MEA
γγ 2
J/Ï(1S) Ï(2S)
1234(nS)
n=
TOPAZ VENUS
AMYCELLOCLEO
CRYSTAL BALLCUSBDASP II
JADELENAMAC
MARK JPLUTOTASSO
Figure 6.11 RapportR =Ï(e+eââhadrons)
Ï(e+eââ”+”â): La prĂ©diction thĂ©orique donne dâabord R = 2 (quarks
u, d et s), puis R = 103
(quarks u, d, s et c) et R = 113
(quarks u, d, s, c et b) aprĂšs le seuil de
production du quark charmé et du quark bottom respectivement. La partie ombrée correspond aux
plateaux successifs de R.
6.5 Masses et Moments Magnétiques
Masses
Si la symĂ©trieSU(3) de saveur Ă©tait une symĂ©trie exacte, les particules appartenant Ă une mĂȘme repĂ©sentation irrĂ©ductible devraient avoir des masses identiques. Mais commenous le rĂ©vĂšlent les diffĂ©rences de masseâm entre les composantes des multiplets de
6.5 Masses et Moments Magnétiques 145
baryons et de mĂ©sons, la symĂ©trieSU(3) est brisĂ©e par les interactions fortes. LâHamil-tonien peut donc ĂȘtre sĂ©parĂ© en deux parties:
H = H1 +H2
dont la premiÚreH1 est invariante sousSU(3) alors queH2 est responsable de la bri-sure de symétrie et donc de la différence de masse. Puisque ce sont les générateurs quidécrivent les transformations sousSU(3), il en découle que
[Ta,H1] = 0
[Ta,H2] 6= 0
oĂčTa est un gĂ©nĂ©rateur deSU(3). Par ailleurs, les interactions fortes prĂ©servent lâisospinet lâhypercharge donc lâHamiltonienH2 responsable de la brisure doit tout de mĂȘme obĂ©iraux contraintes:
[I,H2] = 0 et [Y,H2] = 0en plus dâĂȘtre sensiblement plus petit queH1 puisque la symĂ©trieSU(3), sans ĂȘtre exacte,est tout de mĂȘme approximativement correcte. La forme la plus simple queH2 peutprendre est alors
H2 â λ8.Okubo a dĂ©montrĂ© que les particules dans la reprĂ©sentation irrĂ©ductible(p, q) de
SU(3) dans des états de isospin-hypercharge donnés parI et Y possÚde les élémentsde matrice suivant
ă(p, q), I, Y |H2 |(p, q), I, Y ă â ă(p, q), I, Y |λ8 |(p, q), I, Y ă
= a+ bY + c[Y 2
4â I(I + 1)]
oĂča, b, c = constantes indĂ©pendantes de laI etY mais dĂ©pendent en gĂ©nĂ©ral de la reprĂ©-sentation(p, q). Gell-Mann et Okubo ont proposĂ© une formule de masse ayant la mĂȘmeforme:
m = a+ bY + c[Y 2
4â I(I + 1)].
Pour lâoctet de baryons, ce rĂ©sultats a pour consĂ©quences que
3mÎ +mÎŁïžž ïž·ïž· ïžž
4541 MeV
= 2mN âmÎïžž ïž·ïž· ïžž
4514 MeV
ce qui est valide Ă 1% prĂšs.Dans le cas du dĂ©cuplet de baryons, on a en plus la relation suivante entre lâisospin
et lâhypercharge qui sâapplique
I =Y
2+ 1
ce qui ramĂšne la relation de masse Ă
m = a+ bY.
La diffĂ©rence de masse dans ce cas ne dĂ©pend que de lâhypercharge; on obtient
mÎŁâ âmâïžž ïž·ïž· ïžž
152 MeV
= mÎâ âmÎŁâïžž ïž·ïž· ïžž
149 MeV
= mΩ âmÎâïžž ïž·ïž· ïžž
139 MeV
en accord avec les rĂ©sultats expĂ©rimentaux.Une relation similaire peut ĂȘtre Ă©crite pour les mĂ©sons, Cependant, dans ce cas, le
terme de masse qui apparaĂźt dans le Lagrangien ou lâHamiltonien â câest lâĂ©quation
© 1997 L. Marleau
146 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
de Klein-Gordon qui sâapplique aux bosons â est quadratique enm. La relation pourlâoctet de mĂ©sons pseudo-scalaire a donc la forme
4m2K
ïžž ïž·ïž· ïžž
.988 GeV2
= 3m2η8
+ m2Ï
ïžžïž·ïž·ïžž
0.0196 GeV2
Ă noter ici que la masse qui apparaĂźt dans la relation est celle de lâĂ©tat faisant partie delâoctet η8 (m2
η8= m2
88) et non celle deη ouηâČ. Cette relation permet de dĂ©terminerm288
m288 =
1
3
4m2
K âm2Ïâ (568 MeV)2
et lâangle du mĂ©langeη â ηâČ, i.e.ΞP qui prend la valeur de11o.Le traitement de lâoctet de mĂ©sons vectoriels est en tous points semblables. La relation
donne
m288 =
1
3
4m2
Kâ âm2Ïâ (927 MeV)2 .
On peut en dĂ©duire lâangle de mĂ©langeÏâÏmentionnĂ© plus haut dont la valeurΞV â 40o
sâapproche de lâangle de mĂ©lange idĂ©al.En principe, on faire une analyse plus dĂ©taillĂ©e de la masse des hadrons pour y inclure
les corrections hyperfines et. Ă©lectriques qui sont dues Ă la brisure de la symĂ©trieSU(2)dâisospin par les interactions Ă©lectromagnĂ©tiques. Elle implique trois effets
1. la différence de masse entre les quarksu etd
2. les interactions dipÎle-dipÎle mettent donc en jeu les moments magnétiques respectifsdes quarks
3. lâĂ©nergie de Coulomb associĂ©e Ă la charge de quarks.
Les prĂ©dictions se rĂ©vĂšlent en accord avec les observations Ă 1% prĂšs ou mieux.La masse des quarks eux-mĂȘmes nâest pas aussi bien dĂ©finie que celles des hadrons
et le modĂšle standard ne les prĂ©dit pas. En fait, puisquâil est confinĂ© de façon permanenteĂ lâintĂ©rieur des hadrons, il nâaurait aucun sens de parler de la masse au repos dâun quarklibre. On dĂ©finit plutĂŽt une masse efficace qui est obtenue Ă partir des masses hadroniqueset qui tient compte des interactions entre quarks.
Les masses les plus simples Ă obtenir sont celles des quarks lourds:
ms =1
2mss =
1
2mÏ = 500 MeV
mc =1
2mcc =
1
2mJ/Ï = 1500 MeV
mb =1
2mbb =
1
2m΄ = 4700 MeV
mt â 175 GeV
La masse des quarks up et down est plus difficile Ă Ă©valuer, puisque lâĂ©nergie deliaison qui les unit Ă lâintĂ©rieur des hadrons est du mĂȘme ordre de grandeur que leurmasse et puisquâil nâexiste pas dâĂ©tats pursuu, dd . Par contre, les particulesÏ0 etΩ sontformĂ©es par des combinaisons de ces deux Ă©tats et ils nous donnent une masse dâenviron380 MeV pour les deux quarks (en supposant que leurs masses sont Ă©gales). On peutĂ©galement posermu = md = 1
3mN = 310 MeV oĂčmN est la masse moyenne dâun
6.5 Masses et Moments Magnétiques 147
nucléon. On estime finalement:
mu = md = 350 MeV. (6.51)
Cet estimĂ© est souvent dĂ©signĂ© sous lâappellation de masse ââhabillĂ©eââ puisquâelle inclutune partie de lâĂ©nergie de liaison associĂ©e aux hadrons. Par opposition on dĂ©finie aussila masse âânueââ ou masse ââcourantââ des quarks comme la masse des quarks libres ponc-tuels. La masse des quarks a aussi la caractĂ©ristique de dĂ©pendre logarithmiquement delâĂ©chelle Ă laquelle elle est mesurĂ©e puisque selon quâon sonde plus ou moins profondĂ©-ment la matiĂšre, elle nous paraĂźtra plus ou moins ââhabillĂ©eââ de ses interactions. Si on fixecette Ă©chelle Ă une Ă©nergie correspondant Ă la masse duZ0, MZ = 91.1884 ± 0.0022GeV, on trouve les valeurs suivantes:
Masse des quarksmu(MZ) 3.4± 0.6 MeVmd(MZ) 6.3± 0.9 MeVms(MZ) 118.0± 17.0 MeVmc(MZ) 880.0± 48.0 MeVmb(MZ) 3.31± 0.11 MeVmt(MZ) 172.0± 6.0 MeV
Moments magnétiques
Si on considĂšre les quarks comme des fermions de spin12 et de charge Ă©lectriqueQi,
leur moment magnétique”i sera donné par:
”i =Qi
2miÏi (6.52)
oĂčÏi est le vecteur unitaire de spin si bien que la longueur de”i est simplement
”i = |”i| =Qi
2mi(6.53)
Le modĂšle des quarks prĂ©dit que le moment magnĂ©tique total dâun baryon sera donnĂ©par la sommevectorielle(dans le sens de somme de moments angulaires) des momentsmagnĂ©tiques individuels des quarks.
Exemple 6.6Proton (Ă©tatuud):Le proton est un Ă©tat de spin1
2 . Sa composante de spin up est donc
|pă =
âŁâŁâŁâŁ1212
â©
dans la notation
âŁâŁâŁâŁJ
m
â©. Les quarks sont aussi des particules de spin1
2et donc on peut les retrouver
dans les Ă©tats up et down
|uă =
âŁâŁâŁâŁ12
± 12
â©|dă =
âŁâŁâŁâŁ12
± 12
â©
La fonction dâonde du proton est obtenue en combinant deux quarksu correspondant Ă un Ă©tat
1997 L. Marleau
148 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
triplet symĂ©trique de spin: Il sâĂ©crit alors
|uuă =
âŁâŁâŁâŁ12
±12
â©â
âŁâŁâŁâŁ12
± 12
â©
= a
âŁâŁâŁâŁ1â1
â©â b
âŁâŁâŁâŁ10
â©â c
âŁâŁâŁâŁ11
â©
oĂča, b etc sont des coefficients de Clebsh-Gordan. Notons que la combinaison
âŁâŁâŁâŁ00
â©est exclue
ici puisquâelle est issue du singulet antisymĂ©trique sous lâĂ©change des deux quarksu. Le protonest formĂ© de la combinaison
|uuă â |dă =
(a
âŁâŁâŁâŁ1â1
â©â b
âŁâŁâŁâŁ10
â©â c
âŁâŁâŁâŁ11
â©)â
âŁâŁâŁâŁ12
± 12
â©.
On note que toutes ces combinaisons ne mĂšnent pas Ă un proton de spin up. En effet, seulesles combinaisons suivantesâŁâŁâŁâŁ
10
;1212
â©=
âŁâŁâŁâŁ10
â©â
âŁâŁâŁâŁ1212
â©et
âŁâŁâŁâŁ11
;12
â 12
â©=
âŁâŁâŁâŁ11
â©â
âŁâŁâŁâŁ12
â 12
â©
donnent le spin recherché. Les tables de coefficients de Clebsh-Gordan nous permettent de connaßtrele mélange précis de ces deux combinaisons qui forment le proton avec un spin up:
âŁâŁâŁâŁ1212
â©= â
â1
3
âŁâŁâŁâŁ10
;1212
â©+
â2
3
âŁâŁâŁâŁ11
;12
â 12
â©(6.54)
Mais, on peut tirer aussi des informations similaire sur les Ă©tats|uuăâŁâŁâŁâŁ10
â©=
â1
2
âŁâŁâŁâŁ12
â 12
;1212
â©+
â1
2
âŁâŁâŁâŁ1212
;12
â 12
â©
âŁâŁâŁâŁ11
â©=
âŁâŁâŁâŁ1212
;1212
â©
Finalement, en regroupant les expressions prĂ©cĂ©dentes, on obtient lâĂ©tat en terme de ses compo-santesâŁâŁâŁâŁ
1212
â©= â
â1
6
âŁâŁâŁâŁ12
â 12
;1212
;1212
â©â
â1
6
âŁâŁâŁâŁ1212
;12
â12
;1212
â©+
â2
3
âŁâŁâŁâŁ1212
;1212
;12
â 12
â©
(6.55)normalisé
âš1212
âŁâŁâŁâŁ1212
â©=
(â
â1
6
)2 âš12
â 12
;1212
;1212
âŁâŁâŁâŁ12
â12
;1212
;1212
â©
+
(â
â1
6
)2 âš1212
;12
â12
;1212
âŁâŁâŁâŁ1212
;12
â 12
;1212
â©
+
(â2
3
)2 âš1212
;1212
;12
â 12
âŁâŁâŁâŁ1212
;1212
;12
â12
â©
= 1
Ăvaluons maintenant le moment magnĂ©tique du proton terme de celui des quarks constituants
”p =
âš1212
âŁâŁâŁâŁÂ”âŁâŁâŁâŁ
1212
â©
=1
6
âš12
â 12
;1212
;1212
âŁâŁâŁâŁÂ”âŁâŁâŁâŁ
12
â12
;1212
;1212
â©
6.5 Masses et Moments Magnétiques 149
+1
6
âš12
â 12
;1212
;1212
”12â12
;1212
;1212
â©
+2
3
âš1212
;1212
;12
â 12
”1212
;1212
;12
â12
â©
=1
6(â”u + ”u + ”d) +
1
6(”u â ”u + ”d) +
2
3(”u + ”u â ”d)
=1
3(4”u â ”d)
Exemple 6.7Neutron (Ă©tatudd):La fonction dâonde du neutron est simplement obtenue Ă partir de celle du proton en remplaçantles quarksu par des quarksd, et inversement. On a donc:
”n = ”p(u â d)
=1
3(4”d â ”u) (6.56)
De la mĂȘme façon, il est possible dâobtenir les moments magnĂ©tique pour leÎŁ+, ÎŁâ etc...
”Σ+ = ”p(d â s) =1
3(4”u â ”s) (6.57)
”Σâ = ”p(d â s, u â d) =1
3(4”d â ”s) (6.58)
Exemple 6.8ParticuleÎ (Ă©tatuds)La particuleÎ possĂ©dant un isospin nul, la paire de quarksud est nĂ©cessairement dans un Ă©tatantisymĂ©trique dâisospin et de spin (I = J = 0). Cela signifie que ces deux quarks ne contribuentpas au moment magnĂ©tique total de la particuleÎ et que
”Π= ”s (6.59)
En utilisant les résultats expérimentaux, on a donc que
”p =4
3”u â 1
3”d = 2.79”N
”n =4
3”d â
1
3”u = â1.91”N
”Π= ”s = â0.61”N
oĂč
”N = magnéton nucléaire=e~
2mp. (6.60)
Inversant ces relations, on trouve
”u =2
3
e~
2mu= 1.85”N
”d = â1
3
e~
2md= â0.97”N
”s = â1
3
e~
2ms= â0.61”N .
1997 L. Marleau
150 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
On obtient Ă partir de ces relations
mu = 0.36mp = 340 MeV
md = 340 MeV
ms = 510 MeV.
Ces valeurs sont en bon accord avec celles obtenues dans la section prĂ©cĂ©dente.Ătant donnĂ© la similitude entre leurs Ă©tats de spin respectifs, il est facile de dĂ©duire
les moments magnétiques des baryons les plus légers:
Moments magnétiques des baryonsJP = 12
+
Baryons Formule prédite Valeur prédite (”N ) Valeur observée (”N )
p 13 (4”u â ”d) â 2.793±
n 13 (4”d â ”u) â1.862 â1.913±
Π”s â â0.613± 0.005ÎŁ+ 1
3 (4”u â ”s) 2.687 2.42± 0.05ÎŁ0 1
3 (2”u + 2”d â ”s) 0.785 âÎŁâ 1
3 (4”d â ”s) â1.037 â1.157± 0.025Î0 1
3 (4”s â ”u) â1.438 â1.25± 0.014Îâ 1
3 (4”s â ”d) â0.507 â0.679± 0.031
Ce modÚle élémentaire ne tient évidemment pas compte des effets collectifs que peu-vent générer les quarks en formant des états liés. Cependant, malgré cette approximationgrossiÚre, on voit que le modÚle prédit assez bien le moment magnétique des baryonslégers.
6.6 Diagrammes de quarks
Puisque les nombres de quarks de chaque saveur est conservĂ© dans les interactionsfortes, il est souvent pratique de visualiser les rĂ©actions hadroniques au niveau de leursconstituants, les quarks. Alors, dans une telle rĂ©action, si un nouveau quark apparaĂźt dansune des particules produites, lâantiquark correspondant doit aussi faire son apparition.Les diagrammes de quarks illustrent graphiquement une rĂ©action en tenant compte dela rĂ©partition des quarks dans les particules initiales, finales et mĂȘme intermĂ©diaires.Cette technique possĂšde en plus quelques autres avantages. Il est facile dâidentifier lesproduits intermĂ©diaires par laquelle une rĂ©action peut se produire simplement en tenantune comptabilitĂ© de quarks. De la mĂȘme maniĂšre, la technique peut ĂȘtre servir Ă Ă©numĂ©rerles produits de dĂ©sintĂ©gration de particules ou mĂȘme de rĂ©sonances
Considérons, par exemple, la réaction hadronique
â++ â p+ Ï+.
Elle correspond au niveau des quarks à la réaction
uuu â uud+ ud.
On illustre cette rĂ©action Ă la figure 6.12. La production de la rĂ©sonanceâ++ peutpasser par le processus suivant:
p+ Ï+ â â++ â p+ Ï+
6.6 Diagrammes de quarks 151
u
â ++
+Ï
p
u
uud
d
uuu
Figure 6.12 Diagramme de quarks pour le dĂ©sintĂ©gration â++â p+ Ï+.
© 1997 L. Marleau
152 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
Ce processus est permis comme on le voit Ă la figure 6.13. Par ailleurs, la figure 6.14
â ++
p
u +Ï
uud
d
u+Ï
puud
d
u
Figure 6.13 Production et dĂ©sintĂ©gration dâune rĂ©sonance â++.
illustre la possibilitĂ© quâune rĂ©sonanceX++ soit produite dans la rĂ©action hadronique
p+K+ â X++ â p+K+.
Cette rĂ©sonance qui serait formĂ© de quatre quarks et dâun antiquarks nâa toutefois jamaisĂ©tĂ© observĂ©e expĂ©rimentalement.
Deplus, il existe une rĂšgle de sĂ©lection due Ă Okubo, Zweig et Iisuka â la rĂšgle OZIâ qui stipule que la probabilitĂ© dâun processus qui implique une discontinuitĂ© dans leslignes de quarks est rĂ©duite (voir exemple figure 6.15).
6.7 Charme et SU(4)
Lâintroduction du quark charmĂ© suggĂšre que la symĂ©trie dâisospinSU(2) dâabordĂ©tendueSU(3) pour dĂ©crire la spectroscopie des hadrons avec le quark Ă©trange, pourraitsâĂ©largir encore une fois jusquâĂ SU(4) pour inclure le quatriĂšme quark. Cependant, lasymĂ©trieSU(3), on lâa dĂ©jĂ vu, est partiellement brisĂ©e avec pour consĂ©quence la plusĂ©vidente une masse du quark Ă©trange sensiblement plus Ă©levĂ©e. Il est difficile alors deparler de symĂ©trieSU(4) dans le cas des quarksu, d, s et c puisque avec1.5 GeV pourla masse du quark charmĂ©, on parle dâun ordre de grandeur face Ă la masse des autresquarks et dâun quark qui est mĂȘme plus lourds que le proton.
Il reste que certains outils de la thĂ©orie des groupes peuvent ĂȘtre dâune grande utilitĂ©notamment pour la construction des diffĂ©rents Ă©tats liĂ©s de quarks.
MĂ©sons
Les mĂ©sons sont construits par la combinaison de quarks et dâantiquarks (avec desspins anti-alignĂ©s pour les mĂ©sons scalaires et alignĂ©s pour les mĂ©sons vectoriels) dansles reprĂ©sentions fondamentale4 et Ă son conjuguĂ©4 deSU(4).
6.7 Charme et SU(4) 153
uud
us
puud
u
++
p
us
+K
X
+K
Figure 6.14 Diagramme pour la rĂ©action p+K+â X++
â p+K+.
u +Ïd
sÏ s Ï
d 0
d
Ïu -
d
Figure 6.15 Exemple de processus rare selon la rĂšgle OZI.
© 1997 L. Marleau
154 Chapitre 6 LE MODĂLE DES QUARKS
Par la méthode des tableaux de Young, on obtient les représentations irréductiblessuivantes:
â = â (6.61)
soit4â 4 = 1A â 15M (6.62)
câest-Ă -dire un singulet antisymĂ©trique dans lâĂ©change de saveurs et un15-plet symĂ©t-rique. Parmi les Ă©tats formĂ©s, on retrouve les mĂ©sons deSU(3) et des nouveaux mĂ©sonscharmĂ©s et non-charmĂ©s:
Mésons charmés
Particule JP C Structure
D0,D+s ,D
+ 0â +1 cu, cs, cdDâ,Dâ
s ,D0 0â â1 dc, sc, uc
ηc 0â 0 ccDâ0,Dâ+
s ,Dâ+ 1â +1 cu, cs, cdDââ,Dââ
s ,Dâ0 1â â1 dc, sc, ucJ/Ï 1â 0 cc
(6.63)
Les particules correspondent alors Ă des positions sur les diagrammes de poids des re-prĂ©sentations irrĂ©ductibles15M (voir figures 6.16-6.17). La position des singulets demĂ©sons pseudo-scalaire et vectorielηc sur ces figures se situe cĂŽte-Ă -cĂŽte avec les Ă©tatsÏ0 etÏ0.
D 0D -
D -
s
K 0K+
η
ÏÏ 0
-
-
η
KK
8
0
1
+Ï
D+
sD +
D 0
*
* *
I3
C
Y
Figure 6.16 Multiplet de mĂ©sons JP = 0â formĂ© dâun 15-plet de SU(4). Le singulet 1 de SU(4)
est lâĂ©tat ηc qui se situe Ă la mĂȘme position que les Ă©tats Ï0, η1 et η8.
6.7 Charme et SU(4) 155
D+
sD +
D0
*
* *
K0*
8Ï
-*K
Ï1
Ï 0Ï
-
+K*
K 0*
+Ï
0DD-
* *
D-
s*
I3
C
Y
Figure 6.17 Multiplet de mĂ©sons JP = 1â formĂ© dâun 15-plet de SU(4). Le singulet 1 de SU(4)
est lâĂ©tat J/Ï qui se situe Ă la mĂȘme position que les Ă©tats Ï0, Ï1 et Ï8.
© 1997 L. Marleau
156 Chapitre 7 INTERACTIONS ĂLECTROMAGNĂTIQUES
Baryons
Le systĂšme de 3 quarks, chacun provenant dâun quadruplet4 de saveur deSU(4),est construit par la combinaison
4â 4â 4.Par la mĂ©thode des tableaux de Young, on dĂ©termine les reprĂ©sentations irrĂ©ductibles
générées par ces combinaisons:
â â = â â â (6.64)
câest-Ă -dire, un quadruplet et trois20-plets:
4â 4â 4 = 4A â 20M â 20âČM â 20S (6.65)
Parmi les états formés, on retrouve les baryons charmés de spin et paritéJP = 12
+:
Baryons charmés (JP = 12
+)
Particule C Structure
ÎŁ0c,ÎŁ
+c ,ÎŁ
++c , +1 ddc, udc, uuc
Îâc ,Î
0c +1 dsc, usc
Ω0c +1 ssc
Î+c +1 udc
Î+cc,Î
++cc +2 dcc, ucc
Ω+cc +2 scc
et des baryons charmés de spin et paritéJP = 32
+quâon identifie par des symboles
identiques pour alléger la nomenclature:
Baryons charmées (JP = 32
+)
Particule C Structure
ÎŁ0c,ÎŁ
+c ,ÎŁ
++c , +1 ddc, udc, uuc
Îâc ,Î
0c +1 dsc, usc
Ω0c +1 ssc
Î+cc,Î
++cc +2 dcc, ucc
Ω+cc +2 scc
Ω++ccc +3 ccc
Les baryonsJP = 12
+et JP = 3
2
+sont regroupés dans deux20-plets différents (voir
figures 6.18-6.19). On reconnaßt aussi dans ces multiplets les baryons non-charmés deSU(3) dans les plans inférieurs des figures 6.18-6.19 qui correspondent à C = 0.
7.0 157
n
-
ÎŁÎŁ
Î Î
0-
0
p
ÎÎŁ
+
ÎŁ ++c
Î +c
ÎŁ +cÎŁ 0
c Î +c
Ω 0c
Î 0c
Î ++ccÎ +
cc
Ω +cc
I3
C
Y
Figure 6.18 Multiplet de baryons JP = 12
+formĂ© dâun 20-plet de SU(4).
© 1997 L. Marleau
158 Chapitre 7 INTERACTIONS ĂLECTROMAGNĂTIQUES
Ω ++ccc
Î +c
Î0
c
ÎŁ++
c
Î+
c
ÎŁ+
cÎŁ
0
c
Ω0
c
Î ++ccÎ
+cc
Ω+cc
Î -*
ÎŁ+
â ââ â
ÎŁÎŁ
Î
Ω
- +++
0-
0
-
0
**
*
*
I3
C
Y
Figure 6.19 Multiplet de baryons JP = 12
+formĂ© dâun 20-plet de SU(4).
7 INTERACTIONS ĂLECTROMA-GNĂTIQUES
7.1 Diffusion eâN
En construction
7.2 Le spin
En construction
7.3 Facteur de forme
En construction
160 Chapitre 8 INTERACTIONS FAIBLES
7.4 Production de paires de muons
En constructione+eâ â ”+”â
7.5 SuccĂšs de QED
En construction
7.6 Invariance de jauge
En construction
8 INTERACTIONS FAIBLES
8.1 Classification
En construction
8.2 Théorie de Fermi
En construction
8.3 Non conservation de la parité
En construction
8.4 Interaction V âA
162 Chapitre 8 INTERACTIONS FAIBLES
8.5 ModĂšle de Weinberg-Salam (survol)
En construction
8.6 Angle de Cabbibo et matrice de Kobayashi-Maskawa
En construction
8.7 Courants neutres
En construction
8.8 ModĂšle GIM et le charme
9.0 163
En construction
8.9 Observation du Z0 et des W±
En construction
8.10 Physique du K0
En construction
8.11 Violation de CP
En construction
© 1997 L. Marleau
9 INTERACTIONS FORTES(QCD)
9.1 Couleur
Lâintroduction de lacouleur comme nombre quantique supplĂ©mentaire pour dĂ©crireun quark avait pour but de rĂ©soudre un paradoxe. En effet, les quarks possĂ©dant un spindemi-entier, il est naturel de les considĂ©rer comme des fermions. Mais alors le principedâexclusion de Pauli semblerait suggĂ©rer que des hadronsexotiquestels que leâ++et leΩâ ne peuvent exister. Ils consistent respectivement de trois quarksu et de trois quarksset possĂšdent un spin Ă©gal Ă 3
2 . Les spins des trois quarks sont donc nĂ©cessairement alignĂ©s,ce qui implique quâils possĂšdent tous les trois les mĂȘmes nombres quantiques. La seulefaçon de rĂ©soudre ce paradoxe sans modifier profondĂ©ment le modĂšle des quarks est depostuler lâexistence dâune dĂ©gĂ©nĂ©rescence supplĂ©mentaire. Le nombre quantique associĂ©Ă cette dĂ©gĂ©nĂ©rescence fut nommĂ©ecouleur.
Groupe SU(3) de Couleur
En supposant lâexistence de trois couleurs diffĂ©rentes (rouge, vert et bleu), on peutposer une rĂšgle simple qui assure quâaucun quark isolĂ© ne puisse ĂȘtre observĂ©:
Tous les Ă©tats observables doivent ĂȘtre des singulets de couleur â aucun multiplet dedimension supĂ©rieure nâest permis.
Un tel singulet peut ĂȘtre construit de deux façons: en combinant un quark colorĂ© avecun antiquark possĂ©dant lâanticouleur correspondante (chacun des trois couleurs Ă©tant Ă©ga-lement reprĂ©sentĂ©es) ou encore en combinant trois quarks ou antiquarks de couleurs diffĂ©-rentes (un rouge, un vert et un bleu).
Cette rĂšgle sâinscrit Ă lâintĂ©rieur dâune thĂ©orie de jauge basĂ©e sur la couleur: la chro-modynamique quantique (ou QCD). Comme toute thĂ©orie de jauge, elle est fondĂ©e sur unpostulat dâinvariance: lemondeest invariant sous une transformation locale de couleur.Le groupe de symĂ©trie associĂ© Ă cette transformation est le groupeSUc(3), oĂč lâindicecsert Ă le distinguer du groupeSU(3) de saveur.
166 Chapitre 9 INTERACTIONS FORTES (QCD)
Contrairement Ă la symĂ©trie de saveur, qui est une symĂ©trie brisĂ©e (en raison de ladiffĂ©rence de masse entre les quarks up, down et Ă©trange) et globale, la symĂ©trieSUc(3)est une symĂ©trie exacte etlocale. Parlocale, on entend que la transformation considĂ©rĂ©edĂ©pend de lâespace et du temps. Les particules qui assurent la symĂ©trie locale de couleursont au nombre de huit et sont nommĂ©esgluons.
Par exemple, un quark donnĂ© peut changer de couleur indĂ©pendamment des autresquarks qui lâentourent, mais chaque transformation doit obligatoirement sâaccompagnerde lâĂ©mission dâun gluon (de la mĂȘme façon quâun Ă©lectron changeant de phase Ă©met unphoton). Le gluon Ă©mis se propage et est rĂ©absorbĂ© par un autre quark dont la couleurvariera de telle façon que le changement initial soit compensĂ©. On retrouve donc ici notrerĂšgle selon laquelle tout hadron demeure incolore.
Pour citer un exemple concret, supposons quâun quark rouge se transforme en quarkbleu. Pour cela, il devra Ă©mettre un gluon rouge-antibleu, qui une fois absorbĂ© par unquark bleu le transformera Ă son tour en quark rouge. La couleur globale est alors conservĂ©e,puisque le nombre total de quarks dâune couleur donnĂ©e sera le mĂȘme avant et aprĂšs leprocessus.
Les gluons agissent donc en quelque sorte comme les agents de la force forte Ă lâintĂ©-rieur du hadron. La force forteconventionnellequi sâexerce entre deux hadrons diffĂ©rentsnâest quâune interaction rĂ©siduelle par rapport Ă cette force originale, comme la force deVan der Walls lâest par rapport Ă la force Ă©lectromagnĂ©tique entre deux charges Ă©lect-riques.
Fonctions dâonde de couleur
Avec lâintroduction du nombre quantique de couleur, on peut reprĂ©senter la fonctiondâonde totale Psi dâun hadron sous la forme:
Ï = Ï(spin) · Ï(spatial) · Ï(saveur) · Ï(couleur) (9.1)
Pour le baryons, la fonction dâondeÏ(couleur) est reprĂ©sentĂ©e symboliquement par lacombinaison complĂštement antisymĂ©trique suivante:
Ï(couleur) =1â6(RV B +BRV + V BRâRBV âBV Râ V RB) (9.2)
LâĂ©change de deux quarks (par exemple, les deux premiers) donnera:
Ï(couleur) â ÏâČ(couleur) =
=1â6(V RB +RBV +BV R
âBRV â V BRâRVB)
= âÏ(couleur)
Pour les mĂ©sons, la fonction dâonde sera symĂ©trique (puisque ce sont des bosons):
Ï(couleur) =1â3(RR+ V V +BB). (9.3)
9.1 Couleur 167
Liberté asymptotique
Aucune collision Ă haute Ă©nergie nâa encore pu produire un quark libre, ce qui sembleconfirmer quâils sont confinĂ©s de façon permanente Ă lâintĂ©rieur des hadrons. Mais les rĂ©-sultats dâexpĂ©riences de diffusion profondĂ©ment inĂ©lastiques rĂ©vĂšlent une propriĂ©tĂ© cont-radictoire des quarks: Ă courte distance, ils semblent se mouvoir en libertĂ©, comme sâilsnâĂ©taient pas liĂ©s.
Cette propriĂ©tĂ© sâexplique par le fait que les quanta du champ de couleur (au contrairedes photons) sont eux-mĂȘmes porteurs de charge et interagissent donc directement avecles quarks.
Ainsi, alors quâun Ă©lectron qui Ă©met un photon conserve sa charge Ă©lectrique, un quarkchange de couleur Ă chaque fois quâil Ă©met un gluon. Pour cette raison, lacharge de cou-leur nâest pas localisĂ©e ponctuellement, mais est plutĂŽt Ă©tendue sur une sphĂšre dâenvironun Fermi. Un autre quark qui pĂ©nĂštre cette sphĂšre interagira donc moins fortement Ă mesure quâil sâapproche de son centre.
Lors des expĂ©riences de diffusion profondĂ©ment inĂ©lastiques, les distances impli-quĂ©es sont de beaucoup infĂ©rieures au Fermi, ce qui fait quâon nâobserve quâune faiblefraction de la charge totale de couleur. Câest ce qui explique le phĂ©nomĂšne dit delibertĂ©asymptotiqueobservĂ©.
Ăvidence expĂ©rimentale
LâhypothĂšse de lâexistence de la couleur est supportĂ©e par lâexpĂ©rience. Par exemple,lors dâannihilations Ă©lectron-positron on observe que les particules produites peuventĂȘtre, soit une paire muon-antimuon, soit une paire quark-antiquark se transformant enjets de baryons. La section efficaceÏ pour ce dernier processus sera:
Ï(e+eâ â hadrons) = Ï(e+eâ â qiqi)
= Ï(e+eâ â q1q1) + Ï(e+eâ â q2q2) + · · ·oĂč i = 1, 2, ..., n etn = nombre total de types de quarks (saveur et couleur comprises).
Puisque la section efficace de Rutherford est proportionnelle au carré de la chargeélectrique du diffuseur, on peut écrire:
R =Ï(e+eâ â hadrons)
Ï(e+eâ â ”+”â)=
âi Q
2i
Q2”
(9.4)
oĂčQi = charge Ă©lectrique du quarki etQ” = charge Ă©lectrique du muon.Si trois saveurs de quarks â soitu,d etsâ peuvent ĂȘtre produites (nous considĂ©rons
ici que nous sommes en-dessous du seuil de création de quarks lourds), on a donc:
R =Q2
u +Q2d +Q2
s
Q2”
=
232 +â1
32 +â132
1
=2
3
© 1997 L. Marleau
168 Chapitre 9 INTERACTIONS FORTES (QCD)
En introduisant la couleur, ce rapport triple pour passer Ă R = 2.
R =
â3j=1Q
2uj +Q2
dj +Q2sj
Q2”
= 2
oĂč j = 1, 2, 3 est lâindice de couleur.MalgrĂ© une marge dâerreur importante, les rĂ©sultats expĂ©rimentaux montrent que ce
rapport est prĂšs de2, en accord avec lâhypothĂšse de la couleur. On observe par ailleurs,des sauts dans ce rapport lorsque le seuil du quark charmĂ© et du quark bottom est franchice qui porte successivement la valeur deR thĂ©orique Ă R = 10
3 etR = 113 .
9.2 Interactions
Toutes les rĂ©actions et dĂ©sintĂ©grations de particules Ă©lĂ©mentaires peuvent ĂȘtre inter-prĂ©tĂ©es Ă travers le modĂšle des quarks. Certaines rĂšgles sâappliquent toutefois
1. Les interactions fortes ne changent pas la saveur des quarks. Seuls des réarrangementsde quarks entre les particules impliquées peuvent se produire.
2. Des paires quark-antiquark peuvent ĂȘtre crĂ©es et annihilĂ©es, par analogie avec lespaires lepton-antilepton.
3. Les interactions faibles peuvent changer la saveur des quarks grĂące Ă lâĂ©mission ou Ă lâabsorption dâun boson faible
u â dW+ u â dWâ
s â uWâ s â uW+
Par contre, les processus du type:s â Z0, impliquant un changement de saveur maisnon un changement de charge Ă©lectrique, sont interdits. Les seuls processus neutrespermis sont du typeZ0 â uu, oĂč une crĂ©ation de paire est impliquĂ©e.
Interactions faibles
Les quarks de mĂȘme saveur mais de couleur diffĂ©rente sont considĂ©rĂ©s comme iden-tiques dans toutes leurs propriĂ©tĂ©s sauf la couleur (en dâautres mots, la symĂ©trieSUc(3)est une symĂ©trie exacte). Cependant, deux quarks de saveurs diffĂ©rentes nâont pas engĂ©nĂ©ral la mĂȘme charge Ă©lectrique ni la mĂȘme masse (i.e., la symĂ©trieSU(3) de saveurest une symĂ©trie approximative).
Comme on lâa vu, la saveur des quarks nâest pas affectĂ©e dans les interactions fortes.Au contraire, les interactions faibles laissent la couleur invariante mais changent la sa-veur.
Les interactions faibles introduisent par ailleurs un couplage entre quarks et leptons.Par exemple, envisagĂ©e du point de vue du modĂšle des quarks, la dĂ©sintĂ©gration-bĂȘta
9.5 Diffusion inélastique profonde de eN 169
dâun neutron en proton sâĂ©crit
d â uWâ â ueâÎœ. (9.5)
Ce dernier exemple dĂ©montre que les interactions faibles couplent effectivement quarkset leptons: le quark change de saveur en Ă©mettant un bosonW , qui se dĂ©sintĂšgre Ă sontour en un Ă©lectron et un antineutrino Ă©lectronique. Câest donc le bosonW qui assure lelien entre les deux groupes de particules.
Interactions Fortes
Plusieurs des caractĂ©ristiques de la thĂ©orie des interactions fortes, ou QCD, ont dĂ©jĂ Ă©tĂ© mentionnĂ©es pus haut. Rappelons que câest une thĂ©orie de jauge modelĂ©e en bonnepartie sur lâĂ©lectrodynamique quantique. Chaque quark possĂšde unecharge de couleur,analogue Ă la charge Ă©lectrique, qui agit comme source du champ de jauge. Les bosonsassociĂ©s Ă ce champ sont au nombre de 8 et sont nommĂ©sgluons. Il existe cependantdâimportantes diffĂ©rences entre les deux thĂ©ories, surtout en ce qui concerne la nature dela charge. En QED, la charge est un scalaire et elle demeure avec le fermion (soit avec lasource du champ). En QCD, ce qui agit comme charge est une quantitĂ© trivalente, qui estcontinuellement Ă©changĂ©e entre quarks, et entre quarks et gluons. Une consĂ©quence de cefait est que la chargeeffective(ou la constante de couplage) est une fonction croissantede la distance de la source: prĂšs de la source, la force est presque nulle (phĂ©nomĂšneconnu sous le nom delibertĂ© asymptotique), alors quâelle augmente rapidement Ă desdistances de lâordre du Fermi (distance Ă laquelle la constante de couplage devient Ă©galeĂ âŒ 1). Pour des distances plus grandes, la constante de couplage ne demeure pasfiniecomme en QED, mais semble augmenter indĂ©finiment (ce qui entraĂźne quâon ne puissepas observer de quark isolĂ©).
9.3 ModĂšle des partons
En construction
9.4 Diffusion inélastique profonde de eN
© 1997 L. Marleau
170 Chapitre 9 INTERACTIONS FORTES (QCD)
En construction
9.5 Invariance dâĂ©chelle et partons
En construction
9.6 Diffusion inélastique profonde avec neutrinos
En construction
9.7 Diffusion lepton-quark
En construction
9.8 Collisions hadron-hadron
9.8 Collisions hadron-hadron 171
En construction
© 1997 L. Marleau
172 Chapitre 10 UNIFICATION DES FORCES
10 UNIFICATION DES FORCES
174 Chapitre 10 UNIFICATION DES FORCES
10.1 Divergences et renormalisabilité
En construction
10.2 Bosons intermédiaires
En construction
10.3 Théorie de jauge non-abélienne
En construction
10.4 Interactions Ă©lectrofaibles
En construction
10.5 Grande unification
10.0 175
En construction
10.6 Autres extensions du modĂšle standard
En construction
© 1997 L. Marleau
Annexe A: Notation, conventions,constantes...
A.1 Notations
Dans cet ouvrage, une certain nombre de conventions ont été adoptées pour faciliterla lecture. Les vecteurs à trois dimensions sont notés par des caractÚres gras
x, r,v,F, ...
alors que les quadri-vecteurs sont notés par
x, p, ...
ou par leur composantes contravariantes
x”, p”, ...
Lâalphabet grec est utilisĂ© frĂ©quemment:
Alphabet GrecMajuscule Minuscule Prononciation
A α alphaB ÎČ bĂȘtaÎ Îł gammaâ ÎŽ deltaE Ç«, Δ epsilonZ ζ zetaH η etaΠΞ, Ï thetaI Îč iotaK Îș kappaΠλ lambdaM ” mu
Majuscule Minuscule Prononciation
N Îœ nuΠΟ xiO o omicronÎ Ï piP Ï rhoÎŁ Ï sigmaT Ï tau΄ Ï upsilonΊ Ï,Ï phiΚ Ï psiX Ï chiΩ Ï, omega
A.2 Constantes fondamentales en physique
178 Annexe A Notation, conventions, constantes...
Constantes universelles
QuantitĂ© Symbole ValeurVitesse de la lumiĂšre (vide) c 2.99792458Ă 108msâ1
PermĂ©abilitĂ© du vide ”0 1.25664Ă 10â6NAâ2
PermittivitĂ© du vide (1/”0c2) Ç«0 8.854187817Ă 10â12Fmâ1
Constante gravitationnelle G 6.67259Ă 10â11m3kgâ1sâ2
Constante de Planck h 6.6260755Ă 10â34Jsen Ă©lectron volts 4.135669Ă 10â15eVsh/2Ï ~ 1.05457266Ă 10â34Jsin Ă©lectron volts 6.5821220Ă 10â16eVs
Masse de Planck ((~c/G)12 ) mP 2.17671Ă 10â8kg
Longueur de Planck (~/mP c = (~G/c3)12 ) lP 1.61605Ă 10â35m
Temps de Planck (lP/c = (~G/c5)12 ) tP 5.39056Ă 10â44s
Constantes électromagnétiques
QuantitĂ© Symbole ValeurCharge de lâĂ©lectron e 1.60217733Ă 10â19CRapporte surh e/h 2.41798836Ă 1014AJâ1
Quantum de flux magnĂ©tique (h/2e) Ί0 2.06783461Ă 10â15WbRatio frĂ©quence-voltage Josephson 2e/h 4.8359767Ă 1014HzVâ1
Conductance Hall quantique e2/h 3.87404614Ă 10â5SRĂ©sistance Hall quantique (h/e2 = ”0c/2α) RH 25812.8056ΩMagnĂ©ton de Bohr ”B 9.2740154Ă 10â24JTâ1
en Ă©lectron volts 5.78838263Ă 10â5eVTâ1
MagnĂ©ton nuclĂ©aire ”N 5.0507866Ă 10â27JTâ1
en Ă©lectron volts 3.15245166Ă 10â8eVTâ1
A.2 Constantes fondamentales en physique 179
Constantes atomiques
Quantité Symbole ValeurStructure fine (”0ce
2/2h) α 7.29735308Ă 10â3
αâ1 137.0359895Constante de Rydberg Râ 1.0973731534Ă 107mâ1
en hertz 3.2898419499Ă 1015Hzen joules 2.1798741Ă 10â18Jen Ă©lectron volts 13.6056981eVRayon de Bohr (α/4ÏRâ) a0 0.529177249Ă 10â10mĂnergie de Hartree Eh 4.3597482Ă 10â18Jen Ă©lectron volts 27.2113961eVQuantum de circulation h/2me 3.63694807Ă 10â4m2sâ1
h/me 7.27389614Ă 10â4m2sâ1
Constantes physico-chimique
Quantité Symbole Valeur
Nombre dâAvogadro NA 6.0221367Ă 1023molâ1
Constante dâAvogadro 1023molâ1
UnitĂ© de masse atomique (112m(12C)) mu 1.6605402Ă 10â27kg
en Ă©lectron volts (muc2/e) 931.49432MeV
Constante de Faraday F 96485.309Cmolâ1
Constante de Planck molaire NAh 3.99031323Ă 10â10Jsmolâ1
NAhc 0.11962658Jmmolâ1
Constant des gaz R 8.314510Jmolâ1Kâ1
Constante de Boltzmann k 1.380658Ă 10â23JKâ1
en Ă©lectron volts 8.617385Ă 10â5eVKâ1
en hertz 2.083674Ă 1010HzKâ1
Volume molaire (gaz parfait)1 Vm 22.41410Lmolâ1
Constante de Loschmidt 101325 Pa2 n0 2.686763Ă 1025mâ3
100 kPa3 Vm 22.71108Lmolâ1
Constante de Sackur-Tetrode 100 kPa4 S0/R â1.151693Constante de Sackur-Tetrode 101325 Pa5 â1.164856Constante de Stefan-Boltzmann Ï 5.67051Ă 10â8Wmâ2Kâ4
Constante de radiation primaire c1 3.7417749Ă 10â16Wm2
Constante de radiation secondaire c2 0.01438769mKConstante de Wien b 2.897756Ă 10â3mKConstante de Coulomb k0 8.98755Ă 109Nm2Câ2
Constante de permĂ©abilitĂ© ”0/4Ï 10â7TmAâ1
© 1997 L. Marleau
180 Annexe A Notation, conventions, constantes...
A.3 Unités SI
Les lettres SI dĂ©signent le SystĂšme International dâunitĂ©s. Il sâagit dâun systĂšmedâunitĂ©s cohĂ©rentes approuvĂ©s internationalement qui est en usage dans plusieurs pays etutilisĂ© de façon systĂ©matique pour les ouvrages scientifiques et techniques. Le systĂšmeSI, basĂ© sur les unitĂ©s MKS, replace les systĂšmes CGS et f.p.s. (SystĂšme ImpĂ©rial). Onpeut diviser les unitĂ©s SI en trois groupes: le unitĂ©s de base, supplĂ©mentaires et dĂ©rivĂ©es.Il y a sept unitĂ©s de base qui sont dimensionnellement indĂ©pendantes.
Unités de base SIQuantité Physique Nom Symbolelongueur mÚtre mmasse kilogramme kgtemps seconde scourant électrique ampÚre Atempérature kelvin Kquantité de matiére mole molintensité lumineuse candela cd
Unités supplémentaires SIQuantité Physique Nom Symboleangle plan radian radangle solide steradian sr
1 T = 273.15K, p = 101325Pa2 T = 273.15K, p = 101325Pa3 T = 273.15K, p = 100kPa4 p0 = 100kPa5 p0 = 101325Pa
A.4 Unités naturelles 181
Unités dérivés SIQuantité Physique Nom Symbolfréquence hertz Hzénergie joule Jforce newton Npuissance watt Wpression pascal Pacharge électrique coulombCdifférence de potentiel électrique volt Vrésistance électrique ohm Ωconductance électrique siemensScapacité électrique farad Fflux magnétique weber Wbinductance henry Hchamp magnétique tesla Tflux lumineux lumen lmillumination lux lx
Les unités SI sont étendues grùce à des préfixes qui désignent les multiples ou frac-tions décimales des unités.
Préfixes utilisés avec unités SINom du Nom du
Facteur PrĂ©fixe Symbole Facteur PrĂ©fixe Symbole10 dĂ©ca- da 10â1 dĂ©ci- d102 hecto- h 10â2 centi- c103 kilo- k 10â3 milli- m106 mĂ©ga- M 10â6 micro- ”109 giga- G 10â9 nano- n1012 tera- T 10â12 pico- p1015 peta- P 10â15 femto- f1018 exa- E 10â18 atto- a
A.4 Unités naturelles
Les unités naturelles (UN) sont définies de façon à ce que lesconstantes fondamen-talesquesont laconstantedePlanck et lavitessede la lumiÚresoient
~ = 1
c = 1.
Elles sont utiles dans les systÚmes physiques relativistes et/ou qui impliquent des ef-fetsquantiquesmesurables. Unequantitédans lesunitésSI (systÚme internationale) quipossÚdedesdimensions
MpLqT
r
ouM ,L et T représentelesunitésdemasse, longueur et tempsrespectivement, aurades
© 1997 L. Marleau
182 Annexe A Notation, conventions, constantes...
unitĂ©s dâĂ©nergie Ă la puissancepâ q â r, soitEpâqâr.
SI UNQuantitĂ© p q r nAction 1 2 â1 0Vitesse 0 1 â1 0Masse 1 0 0 1Longueur 0 1 0 â1Temps 0 0 1 â1Impulsion 1 1 â1 1Ănergie 1 2 â2 1Const. structure fineα 0 0 0 0Const. de Fermi 1 5 â2 â2
A.5 Coefficients de Clebsh-Gordan 183
A.5 Coefficients de Clebsh-Gordan
Figure 10.1 Coefficients de Clebsh-Gordan. Note: Un radical est sous-entendu dans les tables de
coefficients, e.g. â 815
doit se lire â
â815
.
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184 Annexe B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste
A.6 Références
Les notes sont assez complĂštes mais les volumes suivants peuvent ĂȘtre utilisĂ©s Ă titrecomplĂ©mentaire.1. Introduction to high energy physics, 3e Ă©dition, D.H. Perkins, Addison-Wesley (1987).
2. Introduction Ă la physique des particule,R. Nataf, Masson (1988).
3. A modern introduction to particle physics,Fayyazuddin et Riazuddin, World-Scientific(1992).
Les deux derniers volumes introduisent et utilisent quelques notions de théorie deschamps ce qui dépasse donc le cadre de ce cours.
Annexe B: Rappel de relativité res-treinte et cinématique relativiste
B.1 La relativité restreinte
Les deux principes sur lesquels repose la relativité sont:
Postulat 10.1 Le principe de relativitĂ©: les lois de la physique doivent avoir la mĂȘmeforme dans tous les repĂšres inertiels.
Postulat 10.2 UniversalitĂ© de la vitesse de la lumiĂšre: la vitesse de la lumiĂšre est lamĂȘme dans tous les repĂšres inertiels. Cette vitesse ne dĂ©pend pas de lâĂ©tat de mouvementde la source.
Lâintervalle
ConsidĂ©rons deux Ă©vĂ©nementsE1 etE2 reliĂ©s par un rayon lumineux. Dans un rĂ©fĂ©-rentielS, on aât = t2 â t1, âx = x2 â x1, ây = y2 â y1 etâz = z2 â z1. CesquantitĂ©s satisfont la relation:
â (ât)2 + (âx)2 + (ây)2 + (âz)2 = 0 (B.1)
en raison du fait que nous avons posĂ©c = 1. En raison de lâuniversalitĂ© dec, on a aussidans un second rĂ©fĂ©rentielSâČ:
â (âtâČ)2+ (âxâČ)
2+ (âyâČ)
2+ (âzâČ)
2= 0. (B.2)
Plus gĂ©nĂ©ralement, pour deux Ă©vĂ©nements quelconques sĂ©parĂ©s dans lâespace deâx,âyetâz et dans le temps deât, on appelle intervalle entre ces Ă©vĂ©nements la quantitĂ©:
âs2 = â (ât)2 + (âx)2 + (ây)2 + (âz)2 . (B.3)
En relation avec ce que lâon vient tout juste de voir, on constate que siâs2 est nulpour deux Ă©vĂ©nements donnĂ©s,âs2 est Ă©galement nul. Il y a en fait une invariance
186 Annexe B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste
de lâintervalle lors dâun passage des coordonnĂ©es deS(t, x, y, z) aux coordonnĂ©es deSâČ(tâČ, xâČ, yâČ, zâČ):
(âs)2 = (âsâČ)2. (B.4)
Classification des évÚnements et causalité
Comme la quantitĂ©(âs)2 entre deux Ă©vĂ©nements est indĂ©pendante des observateurs,on peut sâen servir pour classifier les Ă©vĂ©nements lâun par rapport Ă lâautre. Si lâinter-valle entre deux Ă©vĂ©nements (E etS) est positif, on dira quâil est dugenre-espace; silâintervalle est nĂ©gatif (E et T ), on dira quâil est dugenre-tempsalors que sâil est nul,on le dira dugenre-lumiĂšre. Par rapport Ă un Ă©vĂ©nement donnĂ©E , lâensemble des Ă©vĂ©-nements contenus dans le cĂŽne infĂ©rieur forment lepassĂ© absoludeE ; ceux du cĂŽnesupĂ©rieur, lefutur absoludeE (Ă©vĂ©nements dugenre-temps). Ceux qui sont Ă lâextĂ©rieurdu cĂŽne constituent lâailleurs deE (Ă©vĂ©nements dugenre-espace) (voir figure 10.1).
(âs)2 > 0 ; genre â espace
(âs)2 < 0 ; genre â temps
(âs)2 = 0 ; genre â lumiere
Figure 10.1 Relation de causalité entre les événements.
On voit donc que chaque Ă©vĂ©nement a son passĂ©, son futur et son ailleurs. Quantau prĂ©sent, il nâexiste Ă toutes fins pratiques quâen un point. Cette façon de voir estradicalement diffĂ©rente de celle qui avait prĂ©valu jusquâen 1905 oĂč le temps Ă©tait quelquechose dâabsolu.
On peut aisĂ©ment admettre que lâĂ©vĂ©nementS de la figure 10.1 ne peut ĂȘtre lâeffet
B.2 Cinématique relativiste 187
de lâĂ©vĂ©nementE car la distance (selonOx) est trop grande pour quâun rayon lumineuxait pu connecter ces deux Ă©vĂ©nements. Il en est de mĂȘme pour tous les Ă©vĂ©nements delâailleurs deE ; ainsi lâĂ©vĂ©nementE ne peut ĂȘtre lâeffet dâaucun Ă©vĂ©nement situĂ© danslâailleurs-passĂ©.
Par contre, une relation de causalitĂ© est possible entreE et T qui est dans lefuturabsoludeE . En effet, il est possible quâun rayon lumineux ou quâun signal moins rapideait connectĂ© ces deux Ă©vĂ©nements, ce qui veut dire queE pourrait ĂȘtre la cause deT . DemĂȘmeE peut ĂȘtre lâeffet de tout Ă©vĂ©nement faisant partie de son passĂ© absolu.
B.2 Cinématique relativiste
Transformations de Lorentz
Lâinvariance de la vitesse signifie notamment quâun front dâonde Ă©manant dâunesource lumineuse ponctuelle demeure sphĂ©rique dans tous les repĂšres en mouvementrelatif uniforme (voir figure 10.2). Nous choisirons dâidentifier lâaxe desz Ă la directionde la direction de la vitesse relative entre les rĂ©fĂ©rentielsS etSâČ. Soit des repĂšresS
Figure 10.2 RĂ©fĂ©rentiels S et SâČ.
etSâČ en mouvement relatif uniforme. Un front dâonde Ă©mis ent = 0, par une source fixeĂ lâorigine deS, sera dĂ©crit ent > 0 par un observateur du mĂȘme repĂšre par la sphĂšre
x2 + y2 + z2 = t2. (B.5)Un observateur dâun repĂšreSâČ, qui coĂŻncidait avecS Ă t = 0 mais qui se dĂ©place
uniformément par rapport à S, verra la sphÚre
xâČ2 + yâČ2 + zâČ2 = tâČ2. (B.6)On peut alors dĂ©duire de cette observation la transformation de Lorentz pour les coor-
© 1997 L. Marleau
188 Annexe B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste
donnĂ©es dâespace-temps,
tâČ = Îł(tâ V z)xâČ = xyâČ = yzâČ = Îł(z â V t)
t = Îł(tâČ + V zâČ)x = xâČ
y = yâČ
z = Îł(zâČ + V tâČ)
(B.7)
les transformations de Lorentz des vitesses,
uâČx = ux
Îł(1âuzV )
uâČy =
uy
Îł(1âuzV )
uâČz = uzâV
1âuzV
ux = uâČx
Îł(1+uâČzV )
uy =uâČy
Îł(1+uâČzV )
uz = uâČz+V
1+uâČzV
(B.8)
et les transformation de Lorentz de lâĂ©nergie-impulsion,
EâČ = Îł(E â V pz)pâČx = pxpâČy = pypâČz = Îł(pz â V E)
E = Îł(EâČ + V pâČz)px = pâČxpy = pâČypz = Îł(pâČz + V EâČ).
(B.9)
oĂčÎł = (1â V 2)â
12 . (B.10)
Formalisme quadri-dimensionnel
La similitude entre la notion de temps et dâespace suggĂšre dâadopter un formalismequadri-dimensionnel. En adoptant la notation covariante avec des indices(0, 1, 2, 3), ona:
x0âČ = Îł(x0 â V x3)x1âČ = x1
x2âČ = x2
x3âČ = Îł(x3 â V x0)
(B.11)
que lâon peut Ă©crire sous forme matricielle ainsi:
x0âČ
x1âČ
x2âČ
x3âČ
=
Îł 0 0 âÎłV0 1 0 00 0 1 0
âÎłV 0 0 Îł
x0
x1
x2
x3
. (B.12)
Remarque 10.1La forme de la matrice de transformation sâapparente Ă une matrice de rotation (gĂ©nĂ©-ralisĂ©e Ă un angle imaginaire). Isolons ici, les composantesz et t. Alors on peut rĂ©crire
x0âČ = x0 cosh η + x3 sinh η
x3âČ = x3 cosh η â x0 sinh η
oĂčη, la rapiditĂ©, est dĂ©finie comme
V ⥠tanh η. (B.13)
B.2 Cinématique relativiste 189
La forme matricielle qui précÚde
x”âČ =3â
Μ=0
ΔΜx
Μ (B.14)
oĂčÎ”Μ est appelĂ©e matrice de transformation de Lorentz et oĂčx” est un quadri-vecteur
x” = (x0, x1, x2, x3) = (x0,x). (B.15)
Souvent, on abrĂšge cette notation par lanotation dâEinstein
x”âČ = ΔΜx
Μ (B.16)
oĂč la rĂ©pĂ©tition dâindice grec (e.g.”, Îœ, λ, Ï... ) sous-entend la somme sur des indices0, 1, 2, 3. Toutefois, la rĂ©pĂ©tition dâindice latin (e.g.i, j, k, l... ) sous-entend la sommesur des indices1, 2, 3. Donc, lâexpression prĂ©cĂ©dente nâest pas Ă©quivalente Ă
x”âČ = ΔΜx
Μ 6= Δi x
i (B.17)
puisque la somme dans le terme de droite ne sâeffectue que sur les composantesi =1, 2, 3.
La transformation inverse de Lorentz peut aussi sâĂ©crire dans cette notation
x0
x1
x2
x3
=
Îł 0 0 ÎłV0 1 0 00 0 1 0ÎłV 0 0 Îł
x0âČ
x1âČ
x2âČ
x3âČ
(B.18)
ou encorex” = Δ
ÎœxÎœâČ (B.19)
oĂč Î”Μ = (Δ
Îœ )â1 .
Le tenseur métrique
Plus formellement, dans un espace vectoriel Ă D dimensions, il est possible de choi-sir D vecteurs de basese” et de reprĂ©senter un vecteurA Ă partir de ses composantesparallĂšles auxe”. Alors tout vecteurA sâĂ©crit
A =3â
”=0
A”e” = A”e” (B.20)
oĂč A” sont appelĂ©es les composantes contravariantes deA. Dans un changement desystĂšme de coordonnĂ©es, comme une transformation de Lorentz, les bases deviennent
e” â e”âČ = ΔΜe
Μ . (B.21)
Le produit scalairede deux vecteursA etB prend la forme
A ·B ⥠A”e” ·BÎœeÎœ = A”BÎœg”Μ (B.22)
oĂčg”Μ ⥠e” · eÎœ (B.23)
est appelé letenseur métriqueou simplement lamétrique.Il est commun, et plus simple
© 1997 L. Marleau
190 Annexe B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste
de choisir une base oĂč les vecteurs de base sontorthogonaux: soit,
g”Μ = 0 si ” 6= Μ (B.24)
et doncA ·B = A”B”e2” (B.25)
Pour le cas des quadri-vecteurs dâespace-temps dans lâespace de Minkowski, la longueurgĂ©nĂ©ralisĂ© dâun vecteur espace-temps est reliĂ© Ă lâintervalle, e.g.
x2 = x”x”e2”
= (x”)2 e2”
=(
x0)2
+(
x1)2
+(
x2)2
+(
x3)2
= t2 â x2 â y2 â z2 (B.26)
alors la norme des vecteurs de base est
e2” =
â1 si ” = 01 si ” = 1, 2, 3
(B.27)
est le tenseur mĂ©trique sâĂ©crit
g”Μ =
1 0 0 00 â1 0 00 0 â1 00 0 0 â1
. (B.28)
Composantes covariantes
Les composantes covariantes sont des projections orthogonales deA sur les vecteursde basee”. Par exemple,
e” ·A ⥠A” (B.29)(Ă noter lâindice infĂ©rieur) ou autrement dit
A” ⥠e” ·A = e” ·AÎœeÎœ
= g”ΜAΜ
Ă noter, le tenseur mĂ©triqueg”Μ et son inverseg”Μ coĂŻncident
g”Μ = g”Μ (B.30)
etg”ΜgΜλ = Ύ”λ (B.31)
dâoĂčA” = g”ΜAÎœ (B.32)
etg”Μg”Μ = 4. (B.33)
Par exemple, pour le quadri-vecteur contravariant de position
x” = (x0, x1, x2, x3) = (x0,x). (B.34)
B.2 Cinématique relativiste 191
on aura un quadri-vecteur covariant de position:
xΜ = (x0, x1, x2, x3)
= g”Μx”
=
1 0 0 00 â1 0 00 0 â1 00 0 0 â1
x0
x1
x2
x3
= (x0,âx1,âx2,âx3) (B.35)
et donc
x” = (x0,x)
x” = (x0,âx). (B.36)
Remarque 10.2Toute quantité qui a la forme
a · b = a”b” (B.37)est un invariant de Lorentz, câest-Ă -dire que cette quantitĂ© nâest pas affectĂ©e par unetransformation de Lorentz et donc a la mĂȘme valeur dans tous les systĂšmes de rĂ©fĂ©renceinertiels
Les notions dâĂ©nergie et dâimpulsion sont intimement liĂ©es (tout comme lâespace etle temps). Ce lien devient Ă©vident dans la notation quadri-vectorielle (ou covariante). EnrelativitĂ© restreinte, il est pertinent de dĂ©finir un nouvelle quantitĂ©: la quadri-vitesseu”,
u” = (dt
dÏ,dx
dÏ,dy
dÏ,dz
dÏ). (B.38)
oĂč les vecteur de position est dĂ©rivĂ© par rapport au temps propreÏ, un invariant de Lo-rentz, (dÏ = Îłâ1dt).
Le quadri-vecteur impulsion est alors modelé sur le vecteur impulsion classique:
p” ⥠m0u” = (m0
dt
dÏ,m0
dx
dÏ,m0
dy
dÏ,m0
dz
dÏ). (B.39)
oĂčm0 est la masse propre. CommedÏ = Îłâ1dt, la partie spatiale de ce quadri-vecteursâĂ©crit:
pj = Îłm0(v1, v2, v3) (B.40)
câest-Ă -direp = Îłm0v (B.41)
oĂčv est la vitesse de la particule dans le repĂšreS. Par ailleurs, la composante temporellep0 du quadri-vecteur impulsion est
p0 = Îłm0 = m0 +1
2m0v
2 + · · · (B.42)
On reconnaĂźt dans le deuxiĂšme terme de cette relation lâĂ©nergie cinĂ©tique habituelle.Mais quâen est-il du premier terme qui sâĂ©critm0c2? Cette expression qui est devenuela formule fĂ©tiche de la relativitĂ© a Ă©tĂ© interprĂ©tĂ©e par Einstein comme Ă©tant lâĂ©nergiepropre de la matiĂšre. Autrement dit, du seul fait quâune particule a une massem0, elle aun contenu en Ă©nergie de grandeurm0c
2, lequel contenu, comme le dit Einstein peut-ĂȘtremis en Ă©vidence par les Ă©missions dâatomes lourds comme le radium.
© 1997 L. Marleau
192 Annexe B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste
Il sâavĂšre que le quadri-vecteur impulsion est en fait un quadri-vecteur Ă©nergie-impulsion
p” = (E,px, py, pz) (B.43)
oĂč lâĂ©nergieE est lâĂ©nergie totale. Si on a besoin de lâĂ©nergie cinĂ©tique, on devra Ă©crire
K = E âm0
= (Îł â 1)m0 (B.44)
ce qui signifie, en fait, que lâexpression classique12mv2 nâest quâune approximation
valide pour les vitesses faibles.Voyons maintenant quelle est lagrandeurdep”. On écrit donc
(p”)2 = gαÎČpαpÎČ
=(
p0)2
â(
p1)2
â(
p2)2
â(
p3)2
= E2 â p2
= (Îłm0)2â (Îłm0v)
2
= Îłm20(1â v2)
= m20. (B.45)
On a donc finalementE2 â p2 = m2
0 (B.46)ou
E2 = p2 +m20 (B.47)
On a donc trouver un autre invariant qui sâavĂšre trĂšs utile dans un grand nombre decalculs relativistes. En rĂ©insĂ©rant la vitesse de la lumiĂšrec, on a
E2 = p2c2 +m20c
4 (B.48)
Les relations de conservation dâĂ©nergie et dâimpulsion peuvent maintenant ĂȘtre ex-primĂ©e de façon trĂšs compacte. LâĂ©nergie-impulsion totale dâun systĂšme est la somme
P” =â
n
p”n. (B.49)
Si on pose quâil y a conservation dâĂ©nergie et dâimpulsion
P”avant= P”
aprĂšs (B.50)
il en découle queP i
avant= P iaprĂšs ou Pavant= PaprĂšs (B.51)
ce qui est la conservation de lâimpulsion totale et
P 0avant= P 0
aprĂšs (B.52)
ce qui est la conservation de lâĂ©nergie totale, qui sâĂ©crit aussi
Etotavant= E tot
aprĂšs. (B.53)
On peut aussi dĂ©duire une autre relation importante. Dâune part, la quantitĂ©P” (lâĂ©nergie-impulsion totale) est conservĂ©e, et dâautre part, lagrandeurde toute Ă©nergie-impulsionest un invariant relativiste (mĂȘme grandeur dans tous les repĂšres). On aura donc, parexemple dans le repĂšre du laboratoire
P”avantLab2 =
P”
aprĂšsLab2 (B.54)
C.0 193
mais puisquâil sâagit dâinvariant de Lorentz (relativiste), cette quantitĂ© est la mĂȘme danstous les repĂšres. Dans un repĂšreSâČ on aura
(
P”avantLab
)2
=
(
P”aprÚsLab
)2
=
(
P”avantSâČ
)2
=
(
P”aprĂšsSâČ
)2
. (B.55)
Dans le repĂšre dâimpulsion totale nulle (RIN), i.e. le repĂšre oĂč le centre de masse dusystĂšme est au repos, les calculs sont gĂ©nĂ©ralement plus simples. Alors que la derniĂšrerelation tient toujours
(
P”avantLab
)2
=
(
P”aprÚsLab
)2
=
(
P”avantRIN
)2
=
(
P”aprÚsRIN
)2
. (B.56)
on aura dans ce repÚre spécial,(
P”avantRIN
)2
=(
P 0avantRIN
)2
â(
PavantRIN
)2
=(
P 0avantRIN
)2
=(
EtotavantRIN
)2
=
(
â
n
En
)2
. (B.57)
Cette quantité correspond donc à la somme des énergies totales, élevée au carré.
© 1997 L. Marleau
Annexe C: Ăquation de Dirac
En construction
Annexe D: Particules stables, collision-neurs,...
Collisionneurs
Projet/LaboratoireĂnergie(GeV)
Circonférence(km)
e+eâCESR (1979)CornellâIthaca,USA
6 + 6
PEPSLACâStanford,USA
15 + 15
PEP-II (1999)SLACâStanford,USA
9 + 3.1
PETRA (1992-)DESYâHambourg,All.
23 + 23
TRISTAN (1999)TsukubaâKEK,Japon
30 + 30
SLC (1989)SLACâStanford,USA
50 + 50
LEP I et II (1990-)CERNâGenĂšve,Suisse
I: 45 + 45II: 87 + 87
26.659
VLEPP (? )INPâSerpukov,Russie
500 + 5001000 + 1000
pp, ppSppS (1981â1990)CERNâGenĂšve,Suisse
315 6.911
Tevatron (1987-)FermilabâBatavia,USA
900 + 900 6.28
LHC (~2004)CERNâGenĂšve,Suisse
7000 + 7000 26.659
SSC (AnnulĂ©)SSCâWaxahachie,USA
20000 + 20000 87.12
epHERA (1992-)DESYâHambourg,All.
e: 30 + p: 820 6.336
Index
Accélérateurs, 26circulaires, 27linéaires, 26
Antiparticule, 5
Baryons, 135charmés, 156masse, 144moments magnétiques, 147
Bosons, 4Bosons intermédiaires, 174Bottom, 104
Cabbiboangle de, 162
CalorimĂštre, 50Chambre Ă bulles, 47Chambre Ă dĂ©rive, 46Chambre Ă flash, 46Chambre Ă fils, 44Chambre Ă streamer, 46Chambre dâionisation, 44Chambre de Wilson, 47Champs
théorie quantique des, 12Charme, 103
quarks, 152Charme, 162Cinématique relativiste, 187Clebsh-Gordan
coefficients de, 183Collisions hadron-hadron, 170Compteur
Cerenkov, 49de Geiger-Muller, 44Ă gerbes, 50
proportionnel, 44proportionnel multifils, 44
Compteur Ă scintillations, 47Conjugaison de la charge, 105
antiparticule, 108invariance, 107parité totale, 106photon, 107pion, 107
Couleur, 141Ă©vidence expĂ©rimentale, 143fonctions dâonde, 142GroupeSU(3), 141
Couleur, 165Courants neutres, 162CP
violation de, 163Création de paire, 42
Désintégrationlargeur de , 72
DĂ©tecteurs, 38Ă rayonnement de transition, 49calorimĂštre, 50chambre Ă bulles, 47chambre Ă dĂ©rive , 46chambre Ă fils, 44chambre Ă flash, 46chambre Ă streamer, 46chambre dâionisation, 44chambre de Wilson, 47compteur Ă gerbes, 50Compteur Ă scintillations, 47compteur Cerenkov, 49compteur de Geiger-Muller, 44compteur proportionnel, 44compteur proportionnel multifils, 44
200 Index
Ă©mulsion photographique, 47semiconducteur, 47
Diagrammes de Dalitz, 114
Diffusion eâN , 159Diffusion inĂ©lastique profonde avec
neutrinos, 170Diffusion inélastique profonde deeN ,
169Diffusion lepton-quark, 170Diffusion de Coulomb, 40Dirac
Ă©quation dâonde , 12matrices de, 12
Ăquation de Dirac, 195Divergences, 174
Effet Compton, 42Effet photoĂ©lectrique, 42Ămulsion photographique, 47Espace de phase, 67, 74, 112ĂtrangetĂ©, 101
Facteur de forme, 159Fermi
Théorie de, 161Fermions, 4Formalisme quadri-dimensionnel, 8
Gell-Mann-Nishijima, relation, 99, 105ModĂšle GIM, 162Groupe SU(2), 98Groupes
de rotation, 123de Lie, 119poids, 121propriétés, 118racine, 121rang, 121représentations, 120, 129, 130, 133SU(2), 124SU(3), 126SU(N), 123, 129tableaux de Young, 130théorie des, 118U (1), 123
Hadrons, 2Heisenberg
point de vue, 65Hypercharge, 101
InteractionV âA, 162Interactions, 4
point de vue, 64Interactions
quarks, 168Interactions Ă©lectrofaibles, 174Interactions faibles
classification, 161Interactions électromagnétiques, 17Interactions faibles, 17, 101, 161
autres saveurs, 103étrangeté, 101parité, 82symétrieCP, 109
Interactions fortes, 21autres saveurs, 103résiduelles, 21
Interactions gravitationnelles, 22Interactions électromagnétiques, 159Invariance de jauge, 160Invariance de jauge, 88Invariance sousC, 107Inversion du temps, 86
opérateurT , 86Ionisation, 39Isospin, 96
conservation, 100
Physique duK0, 163Klein-Gordon
Ă©quation dâonde , 11Kobayashi-Maskawa
matrice de, 162
Largeur de désintégration, 72Leptons, 2Lois de conservation
charge Ă©lectrique, 93nombre baryonique, 95nombre Ă©letronique, 94nombre leptonique total, 94Nombre muonique, 94Nombre tauonique, 94
Mandelstam, variables, 57Masse
baryons, 144mésons, 144
MatiĂšre, 1Matrice de diffusion, 66MĂ©canique quantique relativiste, 11
Index 201
Mésonscharmés, 152masse, 144moments magnétiques, 147pseudo-scalaires, 138vectoriels, 140
ModĂšle des partons, 169ModĂšle standard
extensions, 175ModÚle de Weinberg-Salam, 162Moments magnétiques
baryons, 147mésons, 147
Muonsproduction de paires, 160
NoetherthéorÚme de, 78
Nombre baryonique, 95Nombre Ă©letronique, 94Nombre leptonique total, 94Nombre muonique, 94Nombre tauonique, 94
Parité, 81des antiparticules, 84conservation de la, 83intrinsÚque, 83orbitale, 82
Pariténon conservation, 161
Parité de charge totale, 106Parité-G, 110ModÚle des partons, 169partons
Invariance dâĂ©chelle et partons, 170Photon, 90, 107Pion, 107Point de vue
des interactions, 64de Heisenberg, 65de Schrödinger, 64
Propagateur, 15
Interactions fortes (QCD), 165QED
SuccĂšs, 160
Quarks, 3charme, 152diagrammes de, 150modĂšle des, 115, 129
Radioactivité, 25Rapidité, 62Rayonnement de freinage, 40Rayons cosmiques, 25Relativité restreinte, 185Renormalisabilité, 174Résonances, 111Rotation, invariance sous, 80
SchrödingerĂ©quation dâonde , 11point de vue, 64
Section efficace, 68Spin, 159Symétrie SU(2), 98Symétries, 77Synchrotrons, 27SystÚme à 4 corps
centre de masse, 59laboratoire, 61
SystĂšmedâunitĂ©s naturelles, 5
ThéorÚmeCPT , 109Théorie de jauge non-abélienne, 174Top, 104Transformation de jauge, 89
invariance sous, 89Translation, invariance sous, 79
Unification des forces, 173Unification
grande unification, 174UnitaritĂ©, contrainte dâ, 91
Vie moyenne, 72Violation deCP, 109
Yukawa, 14
Z0 etW±
observation, 163
© 1997 L. Marleau