Le monde des particules

Plan

1. Plongée au cœur de la matièrea) De quoi le monde est-il fait?

Les particules

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

2. Encore plus...de particules3. Le problème de la masse4. Perspectives…

1. Plongée au cœur de la matière

La quête du fondamentalDepuis la nuit des temps, l'homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers

La quête du fondamentalDepuis la nuit des temps, l'homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers

La quête du fondamentalDepuis la nuit des temps, l'homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers

Indivisible?

a) De quoi le monde est-il fait?

Les Grecs :

feu terre air quintescence eau

Le tableau des éléments

Les atomes : le monde quantique!

10-10 m

L'atome

10-10 m

Exemple : la largueur d'un cheveu contient un million d'atomes de carbone!

Structure de l’atome

L'électron

Le noyau : 10-14 mOrdre de grandeur :Si le noyau avait la taille d'une balle de tennis le premier électron se trouverait à 6 km!!

Petit mais Massif!

10 000 fois plus petit!

Structure du noyau

Proton

Neutron

10-15 m

Nucléon = Proton ou Neutron.Attention !MProton < MNeutron

MProton =1800 Me

Structure des nucléons

Proton :2 quarks up1 quark down

Neutron :1 quark up2 quarks down

Attention !Mu =2 Md Mu=2 Me

Structure des nucléons

Attention !Ici, la masse des quarks est une faible proportion de la masse du nucléon.La masse des nucléons est essentiellement due à l'interaction forte!!

Particules ponctuelles!

Charges fractionnaires!Up : +2/3

Down =: -1/3

Plan

1. Plongée au cœur de la matièrea) De quoi le monde est-il fait?

Les particules

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

2. Encore plus...de particules3. Le problème de la masse4. Perspectives…

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

L'interaction gravitationnelle

Masse

Les interactions à longue portée

Interaction gravitationnelle

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Gravitation = courbure?

Interaction gravitationnelle

Interactions fondamentales

• Interaction : Echange d’énergie et de quantité de mouvement entre deux fermions via un médiateur

Fermion : « Matière »Boson : « Interaction »

L'interaction électromagnétique

-

+

Le photon γ

Mγ = 0

Charge électrique

Interaction gravitationnelle

Interaction électromagnétique

L'interaction forte

Les gluons g

Mg = 0

3 Charges de Couleur !

Les interactions à courte portée

Interaction gravitationnelle

Interaction forte

Interaction électromagnétique

L'interaction forte

Les nucléons sont blancs !

0 0

+ -

+ -

n

p

Les hadrons sont blancs => courte portée

Interaction gravitationnelle

Interaction forte

Interaction électromagnétique

Désintégration β

Neutre & Blanc

Interaction gravitationnelle

Interaction faible

Interaction forte

Interaction électromagnétique

L'interaction faible

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

Portée limitée par la masse des bosons.

νe

ud

e-

W+

νe

dd

νe

Z0

Interaction gravitationnelle

Interaction faible

Interaction forte

Interaction électromagnétique

4 interactions fondamentales!

• Interaction électromagnétique• Interaction forte• Interaction faible

• Et ... la gravitation...

Plan

1. Plongée au cœur de la matièrea) De quoi le monde est-il fait?

Les particules

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

2. Encore plus...de particules3. Le problème de la masse4. Perspectives…

2. Encore plus ... de particules

Particules et Antiparticules

A toute particule est associée une antiparticule

Masse, temps de vie, ...

Charge opposée

Électron Positron

Neutrino Anti-neutrino

Quark Anti-quark

...

Les Hadrons : états liés de quarks

Les Nucléons : 3 quarks

Les Hadrons : états liés de quarks

Les Nucléons : 3 quarksFortement liés!

Les Hadrons : états liés de quarks

Les Nucléons : 3 quarksFortement liés!

Les Mésons : 2 quarksPions, Kaons, ...

Exemples :

Bleu - AntiBleu

Rouge-AntiRouge

Pas de quark libre!

Créer des particules La Seule Formule!

Relativité restreinteEnergie de masse E=mc2

Les unités de la physique des particules

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

est l’électron-volt:1 eV = 1,6.10-19 J

– On utilise également le KeV, le MeV, le GeV et le TeV

– 100 TeV = Energie dépensée par un moustique pour s’élever de 1m!

Les particules fondamentales

Plan

1. Plongée au cœur de la matièrea) De quoi le monde est-il fait?

Les particules

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

2. Encore plus...de particules3. Le problème de la masse4. Perspectives…

3. Le problème de la masse

Le boson de Higgs

Symétrie des interactions faibles

W, Z , fermions sont de masse nulle

Brisure de la symétrieMais spontanée...

Principe de Symétrie

Photon et Gluonsde masse nulle!

Le boson de Higgs

• Prédiction d'une nouvelle • particule fondamentale!

• P. Higgs mais aussi

• G. Guralnik, C. Hagen, T. Kibble, F. Englert, R. Brout

Phénomène de Higgs

Phénomène de Higgs

Phénomène de Higgs

• Origine de la masse!

Particule de Higgs

Particule de Higgs

• Le boson de Higgs est une excitation!

Hiérarchie

me = 0.511MeV m

t = 172GeV

Plan

1. Plongée au cœur de la matièrea) De quoi le monde est-il fait?

Les particules

b) Comment tout cela tient-il ensemble?

Les interactions

2. Encore plus...de particules3. Le problème de la masse4. Perspectives…

4. Perspectives…

Les mystères non résolus

• Pourquoi les particules d’une même « famille » ont-elles des masses si différentes ?

• Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ? S’unifient-elles à très haute énergie ?

Les problèmes théoriques

• Pourquoi les quarks sont-ils confinés par 2 ou 3?

Les problèmes théoriques

Comment inclure la gravitation?Super Cordes?

• Boucles quantiques?Extra dimensions?

• Fausses pistes

controversescontroverses......

… et bien d’autres questions qui attendent les générations

de physiciens à venir !!!