1. 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
2. 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
3. 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
4. Qu’est-ce que le CERN?
Conseil Européen pour la Recherche
Nucléaire
29 septembre 1954
Physique des particules
Actuellement: 20 états membres
5. 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: ατοµοσ
XIXème
siècle
J. Dalton: théorie atomique
D.I. Mendeleïev: tableau
périodique
6. Noyaux et électrons:
début du XXème
siècle:
Becquerel: radioactivité
(1896)
Thomson: électron (1897)
Rutherford: noyau (1909)
Nucléons:
Thomson: proton
Chadwick: neutron
(1932)
.
.
.
. .
.
Qu’est-ce que la physique des
particules?
7. 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
µ-
µ+
π+
, π-
K°, K+
, K-
π° Λ°
Ξ
-
Σ+
Σ- p 0
e
n
∑
ν
Λ° Ξ°
4
2 He
8. Qu’est-ce que la physique
des particules?
La composition de la matière:
9. La structure de la matière
La matière ordinaire:
Les quarks
Unité de masse: 1 GeV/c2
= 1,78265 10-27
kg
E = mc2
Einstein
Unité d’énergie: 1 GeV = 109
eV
1 eV = 1,602 10-19
J
Unité 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
10. 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
β
→ -
n p + e + ?
#β-
K(keV)
156
K: énergie cinétique
11. La structure de la matière
La matière ordinaire:
Les leptons
On écrit donc:
Le neutrino ne sera observé qu’en 1956!
ν→ -
en p + e +
ν→ +
ep n + e +
: antineutrino électronique
: positon : antiparticule de l’électron
+
e
νe
antiparticule: particule de même masse,
de charge opposée,
de saveur opposée
12. La structure de la matière
La matière cosmique ou artificielle:
Les quarks
et les antiquarks:
u d s c bt
13. La structure de la matière
La matière cosmique ou artificielle:
u
s
d
hypéron Λ°
qΛ = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0
Hadrons
Baryons Mésons
q q
q
q
q
Méson π+
qπ+ = 2/3 - (-1/3)= 1
u
d
14. La structure de la matière
La matière cosmique ou artificielle:
Les leptons
et les antileptons:
µ τν µ ν τ ν+ + +
ee
15. La structure de la matière
Résumé:
Les constituants élémentaires de la matière:
+ leurs antiparticules
17. 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 = ?
C
A A
18. 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
19. 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!
20. Comment découvre-t-on un
constituant élémentaire?
1. Les expériences modernes:
particules cible
accélérées
détecteur
les quarks sont liés dans
les hadrons; ils n’ont
jamais été observés à
l’état libre!
21. 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:
26. Comment découvre-t-on un
constituant élémentaire?
2. Par diffusion: la structure du proton
Diffusion 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!
p
e-
e-
p
e-
e-
e-
e-
p
28. Comment découvre-t-on un
constituant élémentaire?
2. Par classification:
Les symétries observées sont dues aux quarks
qui constituent ces particules:
u d s
Q 2/3 -1/3 -1/3
S 0 0 -1
(dss)
(sss)
(ddd) (ddu) (duu) (uuu)
(uss)
(dds) (uus)(dus)
29. 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)
30. 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)
.
.
.
. .
.
31. 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
32. 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).
→ + ++ +
eμμ e ν ν
33. 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 lorsque
la masse de la particule échangée
augmente.
34. 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
-
e
γ échange d’un photon
-
e
γm = 0 γq = 0
35. 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
2
Wm = 80 Gev/c 2
Zm = 91Gev/c
36. 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
0
Z échange d’un boson Z°
“courant neutre”
→μ μν + n ν + n
37. 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
38. 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.
39. 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
40. Les interactions
fondamentales
5. La théorie QCD:
Lors de l’échange d’un gluon, deux quarks
de charges de couleur différentes échangent leur
couleur:
41. Les interactions
fondamentales
5. La théorie QCD:
Comportements bizarres de l’interaction forte:
• mais force de très courte portée: 10-15
m
(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
→
42. 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
≥
-34
h = 6,626 x10 J×sh = h / 2π
46. 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
48. 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.
49. 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:
50. Le boson de Higgs
Ou le mystère de la masse:
rumeur:
boson de Higgs: encore
à découvrir!
la particule acquiert
sa masse
51. 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):
52. Au-delà du modèle standard
La Supersymétrie:
quark squark
lepton slepton
Particules supersymétriques pas encore observées!
53. 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
54. 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
-
μ
g
+
μ0
Z
0
Z c
c
γ
+
W+
μ
-
W
g
0
Z
-
e
+
e
γ
γ
γ
0
Z
-
W
g
γ
0
Z
γ
+
W eν
+
e
55. 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
56. Les implications
cosmologiques
L’histoire de l’univers en bref:
• t0+30 minutes:
• t0+700.000 ans: 3000degrés
Les atomes les plus
simples se forment sous
l’effet de la force é.m.
.
.
..
. .γ
p
e-
57. 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