cours “physique du secondaire” (45th + 45h pratique)

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POURQUOI LE CERN? C. Vander Velde ULB 19 avril 2002 Le CERN Contenu: Matin: Introduction: qu’est-ce que le CERN? Qu’est-ce que la physique des particules? La structure de la matière. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? Extraction expériences de diffusion classifications

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Page 1: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

POURQUOI LE CERN?

C. Vander VeldeULB19 avril 2002

Le CERN

Contenu:Matin:• Introduction: qu’est-ce que le CERN?• Qu’est-ce que la physique des particules?• La structure de la matière.• Comment découvre-t-on un constituant

élémentaire?– Extraction– expériences de diffusion– classifications

Page 2: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

POURQUOI LE CERN?

Contenu (suite):

Matin(suite):

• Les interactions fondamentales.– Caractéristiques– le mécanisme d’échange– QED– QCD– particules virtuelles

• Le modèle standard• Le boson de Higgs• Au-delà du modèle standard• Implications cosmologiques

Page 3: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

POURQUOI LE CERN?

Contenu (suite):

Après-midi:• Résumé du cours du matin.• Les outils de la physique des particules:

– Pourquoi de hautes énergies?– Comment les obtenir?– Les accélérateurs.– Comment détecter des particules?– Quelques types de détecteurs.

• Déroulement d’une expérience.• Conclusions

Page 4: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Qu’est-ce que le CERN?

Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

29 septembre 1954

Physique des particules

Actuellement: 20 états membres

Page 5: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Qu’est-ce que la physique des particules?

Etude des constituants les plus ténus de la matière et de leurs interactions

VIème et Vème siècle av. J.C.

Thalès et Anaximène

Vème siècle av. J.C.

Leucippe et Démocrite

atomes:

XIXème siècle

J. Dalton: théorie atomiqueD.I. Mendeleïev: tableau périodique

Page 6: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Noyaux et électrons:

début du XXème siècle:Becquerel: radioactivité

(1896)Thomson: électron (1897)Rutherford: noyau (1909)

Nucléons:

Thomson: protonChadwick: neutron

(1932)

. ... ..

Qu’est-ce que la physique des particules?

Page 7: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Qu’est-ce que la physique des particules?

Particules « élémentaires »: les découvertes se succèdent:

……..plus de 100 particules!!!!

Les quarks: Gell-Mann (1964)

1930 1940 1950 1960

e+

n-

++, -

K°, K+, K- ° °-

+

- p 0e

n

Λ°

42 He

Page 8: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Qu’est-ce que la physique des particules?

La composition de la matière:

Page 9: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière ordinaire:

Les quarks

Unité de masse: 1 GeV/c2 = 1,78265 10-27 kgE = mc2 EinsteinUnité d’énergie: 1 GeV = 109 eV

1 eV = 1,602 10-19JUnité de charge: # de fois e (charge élémentaire)

e = 1,6021733 10-19 C

neutron

qn = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0

proton

qp = 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1

Page 10: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière ordinaire:Les leptons

Implique l’émission d’une 3ème particule de très faible masse et de charge nulle: le neutrino.

Neutrino: pour rendre compte de la radioactivité -n p + e + ?

#-

K(keV)156

K: énergie cinétique

Page 11: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière ordinaire:Les leptons

On écrit donc:

Le neutrino ne sera observé qu’en 1956!

-en p + e +

+ep n + e +

: antineutrino électronique: positon : antiparticule de l’électron+e

e

antiparticule: particule de même masse,de charge opposée,de saveur opposée

Page 12: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière cosmique ou artificielle:

Les quarks

et les antiquarks: u d s c bt

Page 13: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière cosmique ou artificielle:

u

sd

hypéron °

q = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0

Hadrons

Baryons Mésons

q q

q

qq

Méson +

q+ = 2/3 - (-1/3)= 1

ud

Page 14: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

La matière cosmique ou artificielle:

Les leptons

et les antileptons:

ee

Page 15: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

La structure de la matière

Résumé:Les constituants élémentaires de la matière:

+ leurs antiparticules

Page 16: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. Par extraction.2. Par diffusion.3. Par classification.

?

Page 17: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. Par extraction: la découverte de l’électron (J.J.Thomson - 1897):dans un tube à vide prévu pour étudier les décharges dans les gaz raréfiés. L’énergie était fournie aux électrons en chauffant le filament qui constituait la cathode:

rayon cathodique = ?

CA A

Page 18: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. La découverte de l ’électron:• rayonnement matériel: arrêté par un écran• dévié par un aimant

• dévié par un champ électrique

particules chargées négativement! la mesure des déviations conduit à une estimation

de q/m

Page 19: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. La découverte de l’électron:

• q / m très grand: grande charge ou masse très petite?

• expérience de la goutte d’huile (Millikan):

e = 1,602 10-19 C

qe = -e

me = mH / 2000!!!!

L’électron est une toute petite partie de l’atome!

Page 20: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

1. Les expériences modernes:

particules cibleaccélérées

détecteur

les quarks sont liés dans les hadrons; ils n’ont jamais été observés à

l’état libre!

Page 21: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: principe cible diffuse

cible ponctuelle

On peut tirer des conclusions sur la forme d’un en regardant comment des projectiles sont déviés:

Page 22: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: principe

Page 23: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: la structure de l’atomeRutherford, Geiger et Marsden (1909)

Page 24: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: la structure de l’atome

Page 25: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: la structure de l’atome

Page 26: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par diffusion: la structure du protonDiffusion des électrons:

années 50-60:

Le proton a une certaine étendue dans l’espace

en 1970, à plus haute énergie (20 Gev):

Dans le proton, il y a des grains durs!

pe-

e-

pe-

e-

e-

e-

p

Page 27: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par classification: exemple: classement de 10 particules de propriétés voisines, notamment leur masse:

Q -1 0 +1 +2 -1 0 +1 -1 0 -1S 0 0 0 0 -1 -1 -1 -2 -2 -3Q: charge électrique S: étrangetéDiagramme (M.Gell-Mann et Y. Neeman, 1963)

- ° + ++ *- *° *+ *- *° -Δ Δ Δ Δ Σ Σ Σ Ξ Ξ Ω

-Δ °Δ +Δ ++Δ

-

*+*°*-

*°*-

S=-3

S=-2Q=0

S=-1

S=0

Q=+1

Q=-1

Q=+2

Page 28: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Comment découvre-t-on un constituant élémentaire?

2. Par classification: Les symétries observées sont dues aux quarks qui constituent ces particules:

u d sQ 2/3 -1/3 -1/3S 0 0 -1

(dss)

(sss)

(ddd) (ddu) (duu) (uuu)

(uss)

(dds) (uus)(dus)

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Les interactions fondamentales

1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction gravitationnelle:• toujours attractive• agit sur toute forme d’énergie (ou de

matière)• intensité extrêmement faible (10-38)• théories:

• mécanique (Newton - 1687)• relativité générale (Einstein - 1915)

Page 30: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction électromagnétique:

• attractive ou répulsive• agit sur les particules porteuses d’une

charge électrique (+ ou -)• intensité très importante (10-2)• théories:

• électromagnétisme (Maxwell -1860)• nature quantique (Einstein - 1905)• QED: quantique et relativiste

(Tomonoga, Schwinger, Feynman - 1948-49) ...

. ..

Page 31: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction forte:

• attractive ou répulsive• agit sur les quarks et les hadrons, pas

sur les leptons.• intensité la plus importante (1)• théories:

• noyau atomique (Rutherford -1911)• QCD: chromodynamique quantique.

noyau

soleil

Page 32: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

1. Quelles sont les interactions fondamentales?L’interaction faible:

• agit sur toutes les particules; c’est la seule force qui agit sur les neutrinos.

• intensité faible (10-5)• théories:

• interaction faible (E. Fermi - 1933)• théorie électrofaible (Glashow,

Weinberg et Salam - 1960-70).

+ +e μμ e ν ν

Page 33: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

2. Le mécanisme d’échange:

Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de

rayonnement.

La portée de l’interaction diminue lorsquela masse de la particule échangée

augmente.

Page 34: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

3. La théorie QED:L’électrodynamique quantique rend compte de l’interaction électromagnétique par l’échange de photons.

Exemple:

portée infinie

QED est la théorie la mieux vérifiée, à plus de 10 chiffres significatifs!!

+ - + -e + e e + e

+e +e

-eγ échange d’un photon

-e

γm = 0 γq = 0

Page 35: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

4. La théorie electrofaible:Interactions électromagnétiques(médiateur: photon)

unifie: +Interactions faibles (médiateurs: bosons Z0, W+ et W-)

Exemples:

μν -μ

pn

-W échange d’un boson W-

“courant chargé”

-μν + n μ + p

2Wm = 80 Gev/c 2

Zm = 91 Gev/c

Page 36: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

4. La théorie electrofaible:

Etapes importantes:• courants neutres observés - CERN - 1973• bosons Z0, W+ et W- observés - CERN - 1983• vérifiée avec une grande précision

notamment par les expériences du LEP - 1989 - 2000

(3 prix Nobel!)

μνμν

nn

0Z échange d’un boson Z°“courant neutre”

μ μν + n ν + n

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Les interactions fondamentales

5. La théorie QCD (chromodynamique quantique):Les médiateurs de l’interaction forte sont les gluons; il y en a 8.

La force forte n’agit que sur les particules ayant une charge de « couleur ».

gm = 0 gq = 0

Page 38: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

5. La théorie QCD:

Les leptons ne portent pas de charge de couleur; ils sont « neutres » vis-à-vis de l’interaction forte.

Page 39: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

5. La théorie QCD:Trois quarks de couleurs différentes s’attirent. Les trois quarks des baryons sont donc de couleurs différentes et les baryons sont blancs.

Le quark et l’antiquark d’un méson portent la couleur et l’anticouleur correspondantes; ils sont donc eux aussi blancs.

baryons

mésons

Page 40: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

5. La théorie QCD:Lors de l’échange d’un gluon, deux

quarks de charges de couleur différentes échangent leur couleur:

Page 41: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

5. La théorie QCD:Comportements bizarres de l’interaction forte:• mais force de très courte portée: 10-15m

(parce que les gluons interagissent entre eux)• liberté asymptotique: très proches les quarks

n’interagissent plus, plus ils sont éloignés, plus leur interaction est forte confinement: les quarks n’existent pas à l’état libre.

La force forte ressemble à un élastique

Si on tire trop fort sur l’élastique, il « casse » et une paire quark-antiquark sort du vide; chacun d’entre eux s’apparie à l’un des quarks initials.

gm = 0

Page 42: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

6. Particules virtuelles:Le principe d’incertitude d’Heisenberg:

(1927)

x: position p: quantité de mouvement

(h: constante de Planck)

E: énergie t: temps

Donc, pendant un temps très court, l’incertitude sur l’énergie peut être très grande!

hΔx Δp 2

hΔE Δt 2

-34h = 6,626 x 10 J ×sh = h / 2π

Page 43: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

6. Particules virtuelles:

Energieconservée

Energienon

conservéependant

untemps

très court

20E = m c + K

Page 44: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

6. Particules virtuelles:Exemples:

-en p + e ν

-d u + W - -

eW e ν

Page 45: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les interactions fondamentales

6. Particules virtuelles:Exemples:

+ - + -e + e D + D + - 0e + e Z /γ c + c

+ -c + c c + d + d + c D + D

Page 46: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Le modèle standard (SM)

englobe tous les phénomènes naturels, sauf la gravitation

théorie à la fois quantique et relativiste

Théorie électrofaible+

QCD+

modèle des quarks

Page 47: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Le modèle standard (SM)

Page 48: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Le modèle standard (SM)

Le modèle standard est très bien vérifié, notamment par les expériences qui se sont déroulées au LEP. Ces expériences ont notamment permis de montrer qu’il n’existait pas de 4ème famille de particules qui serait encore à découvrir.

Page 49: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Le boson de Higgs

Ou le mystère de la masse:Dans le modèle standard, un mécanisme est introduit, appelé mécanisme de Higgs (Higgs, Brout et Englert), pour rendre compte des masses des particules. Ce mécanisme implique l’existence d’une particule supplémentaire: le boson de Higgs, à laquelle est associée un champ, le champ de Higgs.

le champ de Higgs

une particule le traverse:

Page 50: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Le boson de Higgs

Ou le mystère de la masse:

rumeur:

boson de Higgs: encoreà découvrir!

la particule acquiert sa masse

Page 51: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Au-delà du modèle standard

Le SM n’est pas la théorie ultime:• n’englobe pas la gravitation• pourquoi 3 familles de fermions?• ne prédit pas leur masse • n’unifie pas toutes les forces

Les théories de grande unification (GUT):

Page 52: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Au-delà du modèle standard

La Supersymétrie:

quark squarklepton slepton

Particules supersymétriques pas encore observées!

Page 53: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les implications cosmologiques

L’univers est en expansion:Hubble (1929): les galaxies se fuient

L ’énergie diminue: l’univers se refroidit.10-9 s après le big-bang: E~200Gev, comme auprès des accélérateurs actuels

Page 54: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les implications cosmologiques

L’histoire de l’univers en bref:• t0: moment du big-bang• t0 +10-12 s: 1000 GeV

avec très légèrement plus de matière

• un peu plus tard: il n’y a plus assez d’énergie pour créer une paire quark-antiquark, seuls restent quelques quarks

μν

g

+μ0Z

0Z c

c

+W+μ-W

g

0Z

-e

+e

0Z

-Wg

0Z

+W eν

+e

Page 55: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les implications cosmologiques

L’histoire de l’univers en bref:

• t0 +10-2 s: 1 GeV

Les nucléons se forment sous l’effet de la force forte.

• t0 +100s:100 eV ou 1 milliard de degrés

nucléosynthèse

deutérium hélium

n p

Page 56: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les implications cosmologiques

L’histoire de l’univers en bref:• t0 +30 minutes:

• t0 +700.000 ans: 3000 degrés

Les atomes les plussimples se forment sousl’effet de la force é.m.

.. ..

. .

p

e-

Page 57: COURS “PHYSIQUE DU SECONDAIRE” (45th + 45h pratique)

Les implications cosmologiques

L’histoire de l’univers en bref:• puis, plus tard: les agglomérats de matière sous

l’effet de la force gravitationnelle:….étoiles, …. galaxies, ….planètes, ….la vie!

ADN