POURQUOI LE CERN?
C. Vander Velde
ULB
19 avril 2002
Le CERN
Contenu:
Matin:
• Introduction: qu’est-ce que le CERN?
• Qu’es...
POURQUOI LE CERN?
Contenu (suite):
Matin(suite):
• Les interactions fondamentales.
– Caractéristiques
– le mécanisme d’éch...
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Après-midi:
• Résumé du cours du matin.
• Les outils de la physique des particules:
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Qu’est-ce que le CERN?
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Noyaux et électrons:
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siècle:
Becquerel: radioactivité
(1896)
Thomson: électron (1897)
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des particules?
Particules « élémentaires »:
les découvertes se succèdent:
……..plus de 100 parti...
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des particules?
La composition de la matière:
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La matière ordinaire:
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Unité de masse: 1 GeV/c2
= 1,78265 10-27
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Les leptons
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Les leptons
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La matière cosmique ou artificielle:
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La matière cosmique ou artificielle:
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La matière cosmique ou artificielle:
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La structure de la matière
Résumé:
Les constituants élémentaires de la matière:
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Comment découvre-t-on un
constituant élémentaire?
1. Par extraction.
2. Par diffusion.
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Comment découvre-t-on un
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• rayonnement matériel: arrêté par un é...
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constituant élémentaire?
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• q / m très grand: grande charge ou mas...
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2. Par diffusion: la structure de l’atome
Rutherford, Geiger et Marsden ...
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2. Par diffusion: la structure du proton
Diffusion des électrons:
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2. Par classification:
exemple: classement de 10 particules de
propriété...
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constituant élémentaire?
2. Par classification:
Les symétries observées sont dues aux quarks
qui ...
Les interactions
fondamentales
1. Quelles sont les interactions
fondamentales?
L’interaction gravitationnelle:
• toujours ...
Les interactions
fondamentales
1. Quelles sont les interactions
fondamentales?
L’interaction électromagnétique:
• attracti...
Les interactions
fondamentales
1. Quelles sont les interactions
fondamentales?
L’interaction forte:
• attractive ou répuls...
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fondamentales
1. Quelles sont les interactions
fondamentales?
L’interaction faible:
• agit sur toutes les...
Les interactions
fondamentales
2. Le mécanisme d’échange:
Les particules de matière interagissent à
distance en échangeant...
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3. La théorie QED:
L’électrodynamique quantique rend compte de
l’interaction électromagnéti...
Les interactions
fondamentales
4. La théorie electrofaible:
Interactions électromagnétiques
(médiateur: photon)
unifie: +
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4. La théorie electrofaible:
Etapes importantes:
• courants neutres observés - CERN - 1973
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5. La théorie QCD (chromodynamique
quantique):
Les médiateurs de l’interaction forte sont l...
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5. La théorie QCD:
Les leptons ne portent pas de charge de couleur;
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5. La théorie QCD:
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5. La théorie QCD:
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Le principe d’incertitude d’Heisenberg:
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6. Particules virtuelles:
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6. Particules virtuelles:
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Les interactions
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6. Particules virtuelles:
Exemples:
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Le modèle standard (SM)
englobe tous les phénomènes naturels, sauf la
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théorie à la fois quantique et relativis...
Le modèle standard (SM)
Le modèle standard (SM)
Le modèle standard est très bien vérifié,
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Le boson de Higgs
Ou le mystère de la masse:
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Le boson de Higgs
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Le SM n’est pas la théorie ultime:
• n’englobe pas la gravitation
• pourquoi 3 familles de ferm...
Au-delà du modèle standard
La Supersymétrie:
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Particules supersymétriques pas encore observées!
Les implications
cosmologiques
L’univers est en expansion:
Hubble (1929): les galaxies se fuient
L ’énergie diminue: l’uni...
Les implications
cosmologiques
L’histoire de l’univers en bref:
• t0: moment du big-bang
• t0+10-12
s: 1000 GeV
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Les implications
cosmologiques
L’histoire de l’univers en bref:
• t0+10-2
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cosmologiques
L’histoire de l’univers en bref:
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  1. 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. 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. 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. 4. Qu’est-ce que le CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire 29 septembre 1954 Physique des particules Actuellement: 20 états membres
  5. 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. 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. 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. 8. Qu’est-ce que la physique des particules? La composition de la matière:
  9. 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. 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. 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. 12. La structure de la matière La matière cosmique ou artificielle: Les quarks et les antiquarks: u d s c bt
  13. 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. 14. La structure de la matière La matière cosmique ou artificielle: Les leptons et les antileptons: µ τν µ ν τ ν+ + + ee
  15. 15. La structure de la matière Résumé: Les constituants élémentaires de la matière: + leurs antiparticules
  16. 16. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 1. Par extraction. 2. Par diffusion. 3. Par classification. ?
  17. 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. 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. 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. 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. 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:
  22. 22. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: principe
  23. 23. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de l’atome Rutherford, Geiger et Marsden (1909)
  24. 24. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de l’atome
  25. 25. Comment découvre-t-on un constituant élémentaire? 2. Par diffusion: la structure de l’atome
  26. 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
  27. 27. 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 -1 S 0 0 0 0 -1 -1 -1 -2 -2 -3 Q: charge électrique S: étrangeté Diagramme (M.Gell-Mann et Y. Neeman, 1963) - ° + ++ *- *° *+ *- *° - Δ Δ Δ Δ Σ Σ Σ Ξ Ξ Ω - Δ ° Δ + Δ ++ Δ Ω- Σ*+ Σ*° Σ*- Ξ*° Ξ*- S=-3 S=-2 Q=0 S=-1 S=0 Q=+1 Q=-1 Q=+2
  28. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  43. 43. Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Energie conservée Energie non conservée pendant un temps très court × 2 0E = m c + K
  44. 44. Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Exemples: → +- en p + eν → - d u + W → +- - eW eν
  45. 45. Les interactions fondamentales 6. Particules virtuelles: Exemples: →+ - + - e + e D + D → →+ - 0 e +e Z /γ c +c → → + - c +c c + d + d + c D + D
  46. 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
  47. 47. Le modèle standard (SM)
  48. 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. 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. 50. Le boson de Higgs Ou le mystère de la masse: rumeur: boson de Higgs: encore à découvrir! la particule acquiert sa masse
  51. 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. 52. Au-delà du modèle standard La Supersymétrie: quark squark lepton slepton Particules supersymétriques pas encore observées!
  53. 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. 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. 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. 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. 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

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