La Physique des Particules lmentaires Une invitation au

La Physique des Particules Élémentaires Une invitation au voyage. . .

« What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school. . . It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it. . . That is because I don't understand it. Nobody does. » Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter

Plan • En guise d’introduction: la quête du fondamental • Des réponses pour des questions simples: – De « quoi » le monde est-il fait ? – Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • A quoi cela « sert » -il ? • Et demain ? Les mystères non résolus…

La quête du fondamental • Depuis la nuit des temps, l’homme a cherché à appréhender les briques « fondamentales » de son univers • Fondamental = « simple » , sans « structure » • « On connaît la couleur, On connaît la douceur, On connaît l'acidité, Mais en réalité il y a des atomes et du vide. » Démocrite (400 avant J. -C. )

La quête du fondamental • 19ème siècle: l’atome • 1911: l’atome a une structure interne, il est composé d’un noyau, d’électrons et … de vide! • 1930: le noyau est lui-même composé de protons et de neutrons • 1969: le proton, le neutron et beaucoup d’autres particules sont composés de quarks • Aujourd’hui: la quête continue!

Des réponses pour des questions simples… Depuis le début des années 70, les physiciens des particules ont synthétisé toutes leurs connaissances au sein d’un modèle unique: le « Modèle Standard »

De « quoi » le monde est-il fait ? • De quarks – Les quarks sont les constituants élémentaires (sans structure interne connue) des protons, des neutrons et de centaines d’autres particules – Ils portent une charge électrique fractionnaire – On en connaît à l’heure actuelle 6 « saveurs » différentes – Chacun peut exister en trois « couleurs » : rouge, vert ou bleu – Ils ne s’observent jamais seuls, ils se regroupent en particules « blanches » nommées hadrons. On distingue les « baryons » (3 quarks) et les « mésons » (quark+antiquark)

De « quoi » le monde est-il fait ? • De leptons – Il existe 6 leptons différents: l’électron et ses deux jumeaux (le muon et le tau) ainsi que 3 neutrinos – Ces particules portent des charges entières et n’ont pas de « couleur » – Les neutrinos sont des particules « fantômes » qui interagissent très peu et qui ont une masse probablement très faible

Aparté: l’énergie en physique des particules • L’unité d’énergie utilisée par les physiciens de particules est « l’électron-volt » : 1 e. V = 1, 6 £ 10 -19 J • 100 Te. V = 100 £ 1012 e. V = Énergie dépensée par un moustique pour s’élever de 1 m! • E=mc 2, on exprime donc la masse des particules élémentaires en E/c 2, soit en ke. V/c 2, en Me. V/c 2 et en Ge. V/c 2 • Masse d’un neutrino (' 0. 1 e. V) par rapport à la masse du quark top (' 180 Ge. V) , masse d’un grain de pollen par rapport à la masse d’un porte-avions!

De « quoi » le monde est-il fait ? • De matière… et d’antimatière! – Chaque particule de matière possède un double de même masse mais de charge opposée: c’est l’antimatière – Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent en pure énergie – De cette énergie peuvent à nouveau émerger d’autres particules grâce à la célèbre loi E=mc 2

Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • Les bosons intermédiaires – Contrairement aux fermions de la matière (spin ½), les bosons sont des particules de spin 1 – Un boson intermédiaire est une particule à part entière associée à une des trois interactions fondamentales. On dit que les particules se les « échangent » pour interagir.

Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules • La quantité de mouvement d’un objet est définie comme le produit de sa masse par sa vitesse : • Lorsqu’une force s’applique à cet objet, sa quantité de mouvement varie • Si aucune force extérieure ne s’applique, la quantité de mouvement totale est conservée • Pour le système homme+bateau, on a • Lors de la désintégration d’une particule au repos en 2 autres particules, ces dernières doivent donc porter des impulsions de sens opposé

Aparté: la quantité de mouvement en physique des particules • Les physiciens utilisent souvent des « diagrammes de Feynman » pour symboliser l’échange d’un boson intermédiaire entre deux particules élémentaires • Ce boson « transporte » une certaine quantité de mouvement d’une particule à l’autre (ainsi qu’une certaine quantité d’énergie cinétique ½(mv 2)=p 2/(2 m) ) • Les quantités de mouvement s’expriment en ke. V/c, en Me. V/c et en Ge. V/c

Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • L’interaction électromagnétique – Théorie unifiée de l’électricité (e. g. des charges opposées s’attirent) et du magnétisme (e. g. une boussole indique le nord) – Le messager de l’interaction électromagnétique est le photon, composant fondamental de lumière de masse nulle – Seules particules chargées sont sensibles à cette interaction, sa portée est infinie

Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • L’interaction faible – Responsable, entre autres, de la désintégration du neutron. C’est, comparativement, la plus faible des interactions en physique des particules – Les médiateurs de l’interaction faible sont les bosons Z 0, W+ et W-, ces derniers sont, à l’inverse du photon, très massifs (80 -90 Ge. V)! – La portée de l’interaction faible est très limitée (¼ 10 -18 m ! )

Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • L’interaction forte – Elle permet aux protons du noyau (de même charge !) de rester « attachés » ensemble – Les médiateurs de l’interaction faible sont les gluons de masse nulle – Seules particules « colorées » comme les quarks et les gluons y sont sensibles

Comment tout cela « tient » -il ensemble ? • L’interaction forte – Sa portée est très limitée mais son intensité augmente avec la distance – Quand on tente des séparer un quark et un antiquark, l’interaction entre eux devient tellement importante que de leur énergie de liaison peut se transformer en une nouvelle paire quark-antiquark

A quoi cela « sert » -il ? GPS Relativité Restreinte & Générale, A. Einstein Laser Mécanique Quantique, Ondes Radio Electromagnétisme J. C. Maxwell E. Schrödinger & autres

Et demain ? Les mystères non résolus… • Le boson de Higgs – Dans le Modèle Standard certaines symétries de la théorie interdisent aux bosons intermédiaires d’acquérir une masse – Grâce à une « brisure spontanée » de ces symétries, le problème peut être contourné – Pour réaliser cette « brisure spontanée » , une particule mystérieuse est nécessaire, c’est le boson de Higgs. – Cette particule reste introuvable pour l’instant…

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une symétrie • Situations symétriques • Situations où la symétrie est brisée « explicitement »

Aparté: Qu’est ce qu’une « brisure spontanée » d’une symétrie • A partir d’un problème symétrique… ) • …on peut obtenir des solutions qui ne possèdent plus la symétrie ! )

Et demain ? Les mystères non résolus… • Pourquoi les particules d’une même « famille » comme l’électron, le muon et le tau ont-elles des masses si différentes ? • Pourquoi 3 « générations » dans chaque famille ? • Pourquoi l’univers est-il essentiellement composé de matière et pas d’antimatière • Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ?

Et demain ? Les mystères non résolus… • Où se situe la gravitation dans ce schéma ? • Les théories « au-delà du Modèle Standard » telles que la « supersymmétrie » ou la « théorie des cordes » seront-elles un jour vérifiées ? • La quête du fondamental a-t-elle une fin ? • … et bien d’autres questions qui attendent les générations de physiciens à venir !!!

« The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy. » Steven Weinberg