Chp3 Particules de matière 5 récapitulatif : classification des constituants de base

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1 Chp3 Matière 5 récapitulatif M5 Chp3 Particules de matière 5 récapitulatif : classification des constituants de base La découverte des particules étranges a causé une grande excitation car elle était complètement inattendue (nouvelle forme de matière). La découverte des particules charmées a causé une grande excitation car elle était attendue! via les prédictions du modèle théorique des interactions électrofaibles (fin 6s) pour lequel le nombre de leptons et de quarks devait être identique. Après la découverte d'une 3 ième génération de leptons, on s'attendait à découvrir une nouvelle et 3 ième génération de quarks. M5.1 Les fermions de base La caractéristique fondamentale pour le classement des particules est leur participation aux différentes interactions. Par exemple, l'électron ne participe pas à l'interaction forte, pas plus que le photon. De même pour le muon, ainsi plus comparable à l'électron qu'au pion. la terminologie "leptons", particules de spin 1/2 (fermions), désigne les particules de matière, quelle que soit leur masse, qui ne participent pas à l'interaction forte. Par opposition au terme "hadrons" qui désigne les particules participant à l'interaction forte. Parmi ceuxci on distingue alors, suivant la valeur du spin, les baryons (fermions) comprenant les nucléons & hypérons et les mésons (bosons). participation Int. FORTES Int. EM Int. faibles LEPTONS NEUTRINOS NON NON OUI Chargés NON OUI OUI HADRONS BARYONS OUI Si chargés : OUI OUI MESONS OUI Si chargés : OUI OUI Les neutrinos (ν) ne subissent que l'interaction faible. Les leptons sont considérés comme particules élémentaires (ou ponctuelles dans le sens où elles n'ont pas de taille discernable, pas de sousstructure); tandis que les hadrons sont composés de quarks, particules de spin 1/2, (fermions). On compte plus de 3 hadrons cf. le "petit carnet" des physiciens édité tous les 2 ans par le P.D.G. ("Particle Data Group") qui tient à jour les particules connues et leurs propriétés (c'est la famille des hadrons qui remplit la quasitotalité de ce carnet). En résumé, les constituants de base de matière comprennent 12 fermions, de spin ½ (+12 antifermions associés) : 6 quarks & 6 leptons. Ils se classent en trois générations (ou familles) hiérarchisées selon leurs masses croissantes : Quarks Q/e Leptons Q/e 1 ère génération d (down) u (up) /3 ν e neutrino électronique) e (électron) 2 ème génération s (strange, étrange) c (charm, charme) /3 ν µ (neutrino muonique) µ (muon) 3 ème génération b (bottom) porteur de beauté t (top) /3 ν τ (neutrino tauique) τ (tau) MASSE

2 Chp3 Matière 5 récapitulatif M5 2 M5.2 Universalité des 3 générations Les trois générations se comportent de façon tout à fait similaire du point de vue des interactions; elles se différencient uniquement selon la masse des constituants. Preuve : couplage du Z aux différents leptons chargés. UNIVERSALITE Même pic de résonance: forme largeur hauteur même couplage du Z aux 3 leptons chargés

3 Chp3 Matière 5 récapitulatif M5 3 M5.3 Propriétés des leptons Leptons : se groupent en 3 générations de doublets dont les masses augmentent de,511 MeV pour celle de l'électron à 1,8 GeV pour celle du τ. Les neutrinos sont massifs (expériences dites d"oscillation") bien que leur masse soit presque nulle; les limites supérieures de masse vont de moins de 3 ev à 18 MeV (mesures directes de masse). Nom Masse M(MeV/c 2 ) Charge Q/e Durée de vie τ Electron,511 Neutrino électronique ν e < 3 ev spectre β 3 H : 3 H 3 He e νe Muon 16 Neutrino muonique ν µ: < 19 kev π + µ + ν µ (accélérateur) Leptontau τ Neutrinotauique ν τ < 18,2 MeV τ 5π ν τ (LEP) Stable (> 4, ans) Stable 2,2 µs stable 2, s stable Via la mesure des largeurs de désintégration du Z au LEP: Z qq ( hadronique) Z ll ( leptonique) Γνν = Γinvisible = Γtot 3Γ Γ ll had on sait qu'il n'existe pas d'autre génération de lepton léger (cf. figure). Nombres quantiques attribués aux leptons : nombre leptonique ou charge leptonique, spécifique à chaque type de lepton: Nombre leptonique électronique : L e = +1 aux particules e et ν e ( 1 aux antiparticules) Nombre leptonique muonique : L µ = +1 aux particules µ et ν µ ( 1 aux antiparticules) Nombre leptonique tauique : L τ = +1 aux particules τ et ν τ ( 1 aux antiparticules) Les nombres leptoniques se conservent dans toute réaction (diffusion & désintégration). nombre baryonique B =

4 Chp3 Matière 5 récapitulatif M5 4 M5.4 Propriétés des hadrons & quarks Hadrons = particules sensibles à l interaction forte et possédant une structure interne. baryons de spin demientier formés de trois quarks qqq Ex: proton = état lié (uud) neutron (udd) Λ (usd) Ω (sss) ++ (uuu) + (udd) (ddd) mésons de spin entier (bosons) formés de paires quarkantiquark qq Ex: π + = état lié ud du, c h π a f π superposition d'états cuu ddh Quark = particule hypothétique à l origine proposée pour expliquer la forte similarité des supermultiplets baryoniques et mésoniques. Ils sont caractérisés par une charge électrique non entière. Les quarks existent en 6 saveurs : u, d, s, c, b, t et se groupent en 3 générations de doublets. Nombres quantiques spécifiques : Nombre baryonique ou charge baryonique B les baryons (antibaryons): B = +1 ( 1) les quarks (antiquarks) B = 1/3 ( 1/ 3). Pour les mésons, B =. nombre leptonique L = (pour tous les quarks & hadrons) I : isospin (I 3 : 3 ième composante I) S : étrangeté (relié au quark s) C : charme (relié au c) B ~ : beauté (relié au b) à ne pas confondre avec le nombre baryonique T : topness (T) hypercharge Y = B + S + C + B+ ~ T avec Y Q = I3 + 2 Relation particule antiparticule particule antiparticule Masse Spin IDEM Temps de vie moyen Charge électrique Moment magnétique +q +M q M Annihilation création En paires pour les fermions I isopsin IDEM Tous les nombres quantiques internes des antiparticules sont opposés à ceux des particules 3 ième composante I 3 I 3 I 3 Nom Masse Q/e I I 3 J P S Charme beauté top Down d 1 à 5 MeV/c 2 /3 ½ ½ ½ + Up u 3 à 9 MeV/c 2 ½ + ½ ½ + Strange s 75 à 17 MeV/c 2 /3 ½ + 1 Charm c 1,15 à 1,35 GeV/c 2 ½ + +1 Bottom b 4, à 4,4 GeV/c 2 /3 ½ + 1 Top t 174,3 ± 5,1 GeV/c 2 ½ + +1 Les quarks u, d et s sont dits "légers" tandis que c, b et t sont des "quarks lourds".

5 Chp3 Matière 5 récapitulatif M5 5 M5.5 Remarques : masse des quarks méson K quarkonium Les masses indiquées pour les quarks sont des masses approximatives. Il est très difficile de déterminer la masse ou même de définir ce que l'on entend par masse d'un quark, car un quark ne peut pas être isolé. C'est spécialement vrai pour la génération la plus légère (u et d), car la majorité de la masse des particules qu'ils constituent ne vient pas de la masse des quarks. Ex proton (uud) : M uud = = 15 MeV 938 MeV! b g b g les masses se déterminent à partir de la masse mesurée des états liés (hadrons) qu'ils composent, en appliquant des "modèles" de liaison des quarks dans les hadrons. Le top est un cas particulier : très lourd (durée de vie extrêmement courte : τ s Γ 1,7GeV) trop instable pour former des états hardroniques observables, sa masse se détermine à partir de ses produits de désintégration (t W + + b). K : méson neutre qui possède 2 modes de désintégration différents, un rapide et un plus "lent" car une particule K, à sa production, est une superposition d'états K S et K L caractérisés par des temps de vie différents τ S et τ L. Au moment de la production des K, les 2 composantes sont en proportions égales. Après quelques durées de vie τ S, la composante K S a disparu (cf. chp5 / violation CP). Quarkonium : état lié quarkantiquark lourds et de même saveur (= méson): charmonoium et bottomium états ccet bb, systèmes considérés comme non relativistes, dans lesquels les énergies cinétiques des quarks sont beaucoup plus petites que leur énergie au repos. analogie avec le système lié e + e (positronium) Prévision des états & états correspondants observés de façon certaine Combinaison moments angulaires état État cc État bb n = 1 L = S = J = 1 S η c (298) S = 1 J = 1 3 S 1 J/Ψ (31) Υ (946) n = 2 L = S = J = 1 S S = 1 J = 1 3 S 1 Ψ (3686) Υ (123) L = 1 S = J = 1 P 1 L = 1 S = 1 J = J = 1 J = 2 3 P 2 3 P 1 3 P Χ c (3415) Χ c1 (3511) Χ c2 (3556) Υ b (986) Υ b1 (9892) Υ b2 (9913) Spectre de masse des états charmonium et bottonium. Ces mésons ont des spectres d'émission de photons très semblables à ceux du positronium.