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Pr ´
e-requis
M ´ ecanique quantique,
Relativit ´
e restreinte et cin ´
ematique relativiste,
Th ´
eorie classique des champs,
El ´ ´ ements de la th ´
eorie des groupes,
El ´ ´ ements de la th ´
eorie quantique des champs.
3
Physique des Particules
Master de Physique et Sciences de la Mati `
ere - 2 `
eme ann ´
ee
Physique Th ´
eorique Physique Math ´
ematique et Physique des Particlues
Ann ´
ee 2006-
Mossadek Talby
CPPM-IN2P3/CNRS - Universit ´
e de la M ´
editerran ´
ee
CPPM-3 `
eme ´
etage, bureau 345
T ´ el: 04 91 82 76 31, email: [email protected]
1
Quelques r ´
ef ´ erences bibliographiques
D. Griffiths
, Introduction to Elementary Particles
,
John Wiley & Sons (1987),
D.H. Perkins
, Introduction to High Energy Physics
,
4th Edition, Cambridge University. Press (2000),
F. Halzen & A.D Martin
, Quarks & Leptons
,
John Wiley & Sons (1984),
Andr ´
e Roug ´
e , Introduction `
a la Physique Subatomique
,
´editions ellipses (2000),
Luc Marleau
, http://feynman.phy.ulaval.ca/marleau/marleau
(^) ppnotes.pdf
.
4
Synopsis
Th ´ eorie des champs
Th ´ eorie des groupes
Quantique Relativiste
Physique des Particules
Interactions Electrofaibles
Recherche exp ´
erimentale
Astroparticules
et fortes
en physique des Particules
et cosmologie
2
Deux approches compl ´
ementaires
Th ´
eorique
: Fournit des mod `
eles/th ´
eories expliquant les donn ´
ees connues et
g ´ en ´
eralisation de ces mod `
eles/th ´
eories dans un but d’unification de la description
des constituants ultimes de la mati `
ere et des interactions fondamentales qui les
r ´egissent (
description de l’univers `
a ses d ´
ebut
).
Exp ´
erimentale
: V ´
erifie les pr ´
edictions des mod `
eles th ´
eoriques existants et fournit
de nouvelles donn ´
ees pour ´
elaborer de nouveaux mod `
eles.
7
Plan du cours
Notes de cours: http://marwww.in2p3.fr/
(^) talby/Phys
(^) Particules/M2/
Introduction
I Particules ´
el ´ ementaires et interactions fondamentales
Sym ´
etries et lois de conservation (
rappels
)
Cin ´
ematique relativiste et Interactions entre particules (
rappels
)
II Interaction ´
electromagn ´
etique
III
Interaction faible
IV
Mod `
ele Standard ´
electrofaible
V
Interaction forte
VI
Introduction au mod `
ele des partons et `
a la QCD perturbative
VII
Tests du Mod `
ele Standard de la physique des particules
VIII
Br eve introduction
a la supersym ´
etrie
5
Deux terrains d’ ´
etude
Produire et ´
etudier en laboratoire les particules constituant la mati `
ere et les forces
fondamentales qui les r ´
egissent `
a une ´
echelle d’ ´
energie donn ´
ee fournie par les
acc ´
elerateurs de particules:
Exp ´
eriences aupr `
es des acc ´
el ´ erateurs de particules.
Th ´
ematiques qui seront trait ´
ees dans le cours optionnel
(^) Physique
exp ´
erimentale des particules ´
el ´ ementaires.
au second semestre.
Rayons cosmiques, neutrinos (solaires, Supernovae, AGN), sources Etudier les particules qui nous entourent:
galactiques, ondes gravitationnelles
etc.
Exp ´
eriences hors acc ´
el ´ erateurs “terrestres”
: Astroparticules
Th ´
ematiques qui seront trait ´
ees en partie dans la deuxi `
eme partie de ce cours
assur ´
ee par
(^) J. Busto
(^) et dans le cours optionnel
(^) Cosmologie et Astroparticules
(^) au
second semestre.
8
Introduction
Qu’est ce que la physique des particules?
:
Physique de l’
infiniment petit
(^) ou encore physique des
(^) constituants ultimes
de la mati `
ere et des
(^) forces fondamentales
(^) qui les r ´
egissent.
Physique des
(^) hautes ´
energies
: la mati `
ere est sond ´
ee `
a tr `
es haute ´
energie
pour d ´
ecouvrir et ´
etudier ses constituants ultimes.
Physique des
(^) premiers instants
(^) de l’univers: s’interesse aux processus
physiques
^ ]0,1[s apr `
es le Big Bang.
But?
:
D ´ ecouvrir les constituants ultimes de la mati `
ere.
Formaliser et d ´
ecrire les lois fondamentales qui r ´
egissent les interactions entre
ces constituants dans un cadre th ´
eorique unifi ´
e.
6
Propri ´
et ´ es (intrins `
eques) des particules
Masse,
Temps moyen de vie ou largeur,
Charges,
Spin, moment magn ´
etique,
Isospin (fort), Isospin faible, Hypercharge faible (nombres quantiques internes),
autres nombres quantiques internes:
, , , ^ , ,
Parit ´
e.
15
Conversion SI
^
SN:
Une quantit ´
e qui a l’unit ´
e
o ` u
,
et
sont respectivement les unit ´
es de la masse (en
kilogramme), de la longueur (en m `
etre) et du temps (en seconde) dans le syst `
eme
(^) SI , aura l’unit ´
e
avec
!^
dans le
(^) SN
.
Quantit ´
e
SI
SN
Facteur de conversion
Vitesse
0
1
0
m (^) s ( )
Masse
1
0
0
1
1 GeV =
Kg
Longueur
0
1
0
1 GeV
m
Temps
0
0
1
1 GeV
s
Impulsion
1
1
1
1 GeV =
Kg
(^) m (^) s
Energie
1
2
1
1 GeV =
Joule
Moment Angulaire
1
2
J (^) s (
^ )
13
Les leptons
Leptons
mass (GeV)
dur ´ ee de vie
charge
nombre leptonique
´electrique
ans
(^0)
0
s
(^0)
0
s
(^0)
(^0)
^ *
?
(^0)
(^0)
0
?
(^0)
(^0)
0
?
(^0)
(^0)
(^0)
Remaque
: Les anti-particules correspondants ont les m ˆ
emes masses et les m ˆ
emes dur ´
ees de
vies mais des charges ´
electriques et des nombres leptoniques oppos ´
es.
Leptons insensibles aux interactions
(^) fortes
.
./ , (^0) /
, (^1) /
sensibles aux interactions
(^) ´electromagn ´
etiques
(^) et (^) faibles
.
2 3 (^3) et 2 (^3) (^3) sensibles aux interactions
(^) faibles
(^) uniquement.
16
Particules ´
el ´ ementaires et interactions fondamentales
Echelle d’ ´
energie
qqs 100aine de GeV (
m, ,
s)
Champs de mati `
ere (Fermions):
- 6 leptons + 6 anti-leptons - 6 quarks + 6 anti-quarks
Champs d’interaction (Bosons):
- (interaction ´
electromagn ´
etique),
- gluons (interaction forte), -
4 / , (^5)
(interaction faible),
- Graviton (n ´
egligeable `
a (^) 100 GeV
).
Remaque
: A l’ ´
echelle d’ ´
energie de
(^)
qqs 100aine de GeV (
7 8 m), les
particules de mati `
ere et d’interaction se comportent comme des particules
´el ´ ementaires
(^) i.e.
(^) ne pr ´
esentant aucune sous structure.
14
Les Baryons (3 quarks)
Contenu en quark
mass (GeV)
dur ´ ee de vie (s)
&
ans
887
& !
!
& !
!
& !
&
& (^)!
!
!
!
!
!
$
& !
!&
$
!&
$
!&
"
$
& !
!&
%
&
& !
!&
etats excit ´
es:
'^ , (^ , ) (^) ) ) etc.
19
Les quarks
quarks
mass (GeV)
charge
nombre
Isospin
“strangness”
“charm”
“bottomness”
“topness”
´electrique
baryonique
#^ *
, ) "!
#^!
(^0)
(^0)
(^0)
0
,
"!
#^ &
#^!
&!
(^0)
(^0)
(^0)
0
.
, ! &
#^!
(^0)
(^0)
(^0)
0
, !
#^ &
#^!
(^0)
(^0)
(^0)
0
%
#^!
(^0)
(^0)
(^0)
0
/
174
#^ &
#^!
(^0)
(^0)
(^0)
(^0)
Remaque
: Les antiquarks portent des charges (
electriques, couleurs´
) et des nombres
quantiques internes (
nombre baryonique, Isospin,
) oppos ´
es `
a ceux des quarks
corespondants. Quarks sensibles `
a toutes les interactions
.
Principe de confinement:
(^) Potentiel de liaison entre quarks augmente avec la distance:
quarks ( `
a l’exception du
(^) quark
(^0) ) confin ´
es dans des hadrons (mod `
ele des quarks):
- M´ esons
: ´ etats li ´
es quark-antiquark,
- Baryons
: ´ etats li ´
es `
a trois quarks.
Principe de libert ´
e asymptotique:
(^) Constante de couplage fort
1 2 quand
^
3
Interaction forte
^
qd distance entre quarks
^ .
17
Caract ´
eristiques des interactions fondamentales
Interaction ´
electromagn ´
etique:
Th ´ eorie sous-jacente:
´electrodynamique quantique
(^) ( QED
),
Sym ´
etrie sous-jacente:
4 & ' ,
Source de l’interaction:
(^) charge ´
electrique
,
Constante de couplage ( `
a l’ ´ echelle de
5 ): 1 6
&
7
,
Dur ´
ee ou temps caract ´
eristique de l’interaction:
^9
s ,
M ´ ediateur de l’interaction:
(^) photon
(^) ( ),
Port ´
ee de l’interaction:
Section efficace typique:
= 6 ,
m = 10
b .
exemples
:
?
@
?
@
20
Les M ´
esons (quark-antiquark)
A B
Contenu en quark
C
mass (GeV)
dur ´
ee de vie (s)
DFE
,
DHG
m ´ elange
,
(!
I
m ´ elange
,
,
! '
JE
,
!
JG K
m ´ elange
,
!
!
!
JG
m ´ elange
,
!
L
&&
ME
$ ,
$
!&
M N M G
$ , $
! &
ME .
$ , $
!&
OP
$ $
! )
QE
& , &
!&
Q N Q G
& ,
&
!&
Q
. N Q G .
& , &
!&
QE
$ & , $&
!&
etats excit ´
es:
R^ , JTS
, M^ S
, Q^ S
, U V N V N)) )
, ) (^) ) ) etc.
18
Caract ´
eristiques des interactions fondamentales
R ´ esum ´
e
Interaction
^
Forte
Electromagn ´
etique
Faible
Gravitationnelle
source
charge de couleurs
charge ´
electrique
Isospin faible
masse
et Hypercharge faible
masse
m ´ ediateur
gluons (8)
photon
E
,
graviton?
&^
masse (GeV) du m ´
ediateur
(^0)
(^0)
80, 91
0
port ´ ee (m)
, ! !
, ! !
force relative
1
, ! &
, ! )
, ! %
temps caract ´
eristique (s)
, ! &
, ! ! ) ! &
?
Section efficace typique (m
(^) )
(10mb)
( b)
(0.1fb)
?
Mod `
ele Standard
: Unification des interactions ´
electromagn ´
etiques et faibles:
Interactions ´
electrofaibles
.
Champ scalaire de Higgs
(^) pour l’attribution des masses aux bosons
^
et
^
et aux fermions.
25
