UE Physique et actualités 15 février 2006

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1 UE Physique et actualités 15 février 2006

2 Sommaire 1. A la découverte de l'antimatière 2. La transformation CP est elle une symétrie? 3. Les études actuelles sur la violation de CP Alice, through the looking-glass de Carroll Lewis Diapositive 2 / 16

3 A la découverte de l'antimatière 1927 : Dirac prédit l'existence d'antiparticules 1932 : découverte du positron (antiélectron) par Anderson A toutes particules, on peut associer une antiparticule de même masse mais de charges opposés. Les briques fondamentales Les briques fondamentales électron neutrino électron quark down quark up antiélectron antineutrino électron antiquark down antiquark up muon neutrino muon quark étrange quark charmé antimuon antineutrino muon antiquark étrange antiquark charmé tau neutrino tau quark beau quark top antitau antineutrino tau antiquark beau antiquark top proton atome d'hydrogène antiproton antiatome d'hydrogène u d u MATIERE u d u ANTIMATIERE Diapositive 3 / 16

4 A la découverte de l'antimatière Où peut on trouver les antiparticules (sources naturelles)? rayons cosmiques radioactivité (désintégration β) 60 Co 60 Ni * e- ν e Pourquoi l'antimatière est instable sur Terre? Durée de vie de l'antimatière est faible phénomène d'annihilation avec la matière e - γ Conversion de toute la masse en énergie e + γ ( E=mc 2 ) Diapositive 4 / 16

5 A la découverte de l'antimatière Point de vue mathématique : comment passer d'une particule à une antiparticule? il faut inverser le signe des charges quantiques la conjugaison de charge, notée C ex : C e- e+ Est-ce suffisant? Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible OUI OUI NON il faut prendre en compte une autre caractéristique des particules : le spin Le spin est un degré de liberté d'une particule qui n'a pas d'équivalent dans le monde macroscopique. électron gauche v v électron droit Diapositive 5 / 16

6 A la découverte de l'antimatière 60 Co 60 Ni * e- ν e 60 Co 60 Ni * e+ ν e expérience réalisée en 1957 v expérience irréalisable v électron gauche antiélectron droit P Il faut inverser la droite et la gauche besoin d'un "miroir" : la parité, notée P Transformation particule antiparticule = CP C Diapositive 6 / 16

7 A la découverte de l'antimatière Rencontre du 3 ème type à la Feynman Rencontre du 3 ème type selon gauche Feynman = gauche/droite =??? e - de la désintégration β du cobalt v Diapositive 7 / 16

8 CP est elle une symétrie? Qu'est ce qu' une symétrie? La notion de symétrie en géométrie La notion de symétrie en Physique (relativité galiléenne) Une symétrie est une transformation qui laisse invariante les lois de la physique. CP est une symétrie La matière et l'antimatière doivent avoir le même comportement!!!!! Diapositive 8 / 16

9 CP est elle une symétrie? Quelques conséquences de l'invariance par CP : étude des réactions CP conjuguées ( interaction forte ) π - n CP π + n p p ( interaction faible) La symétrie CP implique : règles de sélection les 2 réactions ont la même probabilité de se produire les angles d'émission des particules finales ont les mêmes distributions K L 0 K L 0 interdit par invariance par CP MAIS... Diapositive 9 / 16

10 CP est elle une symétrie? Découverte de la violation de CP (1964) Fitch Turlay Cronin Christenson K L 0 99,8% K L 0 interdite par invariance par CP 0,2% Symétrie CP Pour l'interaction faible : La symétrie CP n'est pas exacte, elle est violée!! Interaction gravitationnelle Interaction électromagnétique Interaction forte Interaction faible conservée conservée faiblement violée Diapositive 10 / 16

11 CP est elle une symétrie? Existe-t-il une manifestation plus spectaculaire de la violation de CP? l'antimatière a une durée de vie plus courte que la matière sur la Terre ce n'est PAS une violation de CP L'univers semble être essentiellement constitué de matière Diapositive 11 / 16

12 CP est elle une symétrie? Où est passée l'antimatière? antiparticule particule Diapositive 12 / 16

13 CP est elle une symétrie? La matière a été favorisée au cours des réactions entre s et s. 1 particule a survécu pour 1 milliard de particules s'annihilant avec l'antimatière. Les conditions de Sakharov (1967) 3 conditions permettent d'expliquer la prédominance de la matière dans l'univers : non conservation du nombre de quark et d'antiquark au cours des réactions violation de CP rupture de l'équilibre thermodynamique Diapositive 13 / 16

14 Les études actuelles sur CP Pourquoi étudier la violation de CP de nos jours? Contraindre la théorie qui décrit la violation de CP dans le Modèle Standard déterminer les paramètres libres du formalisme CKM Observer la violation de CP pour des baryons baryon méson La recherche de la violation de CP pour les baryons continue... q q q q q Mise en évidence de la violation de CP pour les mésons K 0, B 0 Vérifier les prédictions du Modèle Standard, valider ou non de nouvelles théories (la violation de CP du Modèle Standard est trop faible pour expliquer la prédominance de matière dans l'univers) Comprendre l'origine physique de la violation de CP Diapositive 14 / 16

15 Les études actuelles sur CP Études de violation de CP basées sur les particules belles : particules contenant un quark ou antiquark beau Prédiction + expérience : l'intensité de la violation de CP est la plus importante pour ce type de particule Nécessité des "usines à b" CERN (2007) SLAC KEK Diapositive 15 / 16

16 Conclusion CP est la symétrie entre matière et antimatière. Cette symétrie n'est pas exacte, elle est faiblement violée. Elle est l'une des conditions qui permet d'expliquer la prédominance de la matière dans l'univers. La violation de CP n'a pas encore dévoilé tous ses secrets. Les recherches continuent auprès des grands accélérateurs de particules. LHC au CERN (2007) Diapositive 16 / 16