Quelques références bibliographiques Pré-requis
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- Camille Gauvin
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1 3 Physique des Particules Synopsis Master de Physique et Sciences de la Matière èe année Physique Théorique Physique Mathéatique et Physique des Particlues Théorie des chaps Quantique Relativiste Théorie des groupes Année 6 Physique des Particules Mossadek Talby CPPMIP3CRS Université de la Méditerranée CPPM3èe étage bureau 3 Tél: eail: talbycppinp3fr Interactions Electrofaibles Recherche expérientale Astroparticules et fortes en physique des Particules et cosologie Quelques références bibliographiques Prérequis Mécanique quantique Relativité restreinte et cinéatique relativiste Théorie classique des chaps Éléents de la théorie des groupes Éléents de la théorie quantique des chaps D Griffiths Introduction to Eleentary Particles John Wiley Sons (8 DH Perkins Introduction to High Energy Physics th Edition Cabridge University Press ( F Halzen AD Martin Quarks Leptons John Wiley Sons (8 André Rougé Introduction à la Physique Subatoique éditions ellipses ( Luc Marleau ppnotespdf
2 8 Plan du cours Introduction otes de cours: talbyphys ParticulesM Introduction I Particules éléentaires et interactions fondaentales Syétries et lois de conservation (rappels Cinéatique relativiste et Interactions entre particules (rappels II Interaction électroagnétique III Interaction faible IV Modèle Standard électrofaible V Interaction forte VI Introduction au odèle des partons et à la QCD perturbative VII Tests du Modèle Standard de la physique des particules VIII Brève introduction à la supersyétrie Qu est ce que la physique des particules : Physique de l infinient petit ou encore physique des constituants ulties de la atière et des forces fondaentales qui les régissent Physique des hautes énergies: la atière est sondée à très haute énergie pour découvrir et étudier ses constituants ulties Physique des preiers instants de l univers: s interesse aux processus But : physiques ][s après le Big Bang Découvrir les constituants ulties de la atière Foraliser et décrire les lois fondaentales qui régissent les interactions entre ces constituants dans un cadre théorique unifié 6 Deux terrains d étude Deux approches copléentaires Théorique: Fournit des odèlesthéories expliquant les données connues et généralisation de ces odèlesthéories dans un but d unification de la description des constituants ulties de la atière et des interactions fondaentales qui les régissent (description de l univers à ses début Expérientale: Vérifie les prédictions des odèles théoriques existants et fournit de nouvelles données pour élaborer de nouveaux odèles Produire et étudier en laboratoire les particules constituant la atière et les forces fondaentales qui les régissent à une échelle d énergie donnée fournie par les accélerateurs de particules: Expériences auprès des accélérateurs de particules Théatiques qui seront traitées dans le cours optionnel Physique expérientale des particules éléentaires au second seestre Etudier les particules qui nous entourent: Rayons cosiques neutrinos (solaires Supernovae AG sources galactiques ondes gravitationnelles etc Expériences hors accélérateurs terrestres : Astroparticules Théatiques qui seront traitées en partie dans la deuxièe partie de ce cours assurée par J Busto et dans le cours optionnel Cosologie et Astroparticules au second seestre
3 Systèe d unités naturel En physique des particules les systèes étudiés sont relativistes et possèdent des propriétés quantiques Deux constantes fondaentales: Vitesse de la luière (propriété relativiste Constante de Planck (propriété quantique Dans le systèe d unité international (SI les valeurs de ces deux constantes sont: Astroparticules Repose sur la physique des particules pour expliquer l univers à ses débuts: Big Bang Baryogénèse atière noire etc Utilise les techniques expérientales développées en physique des particules pour faire de l astronoie à haute et très haute énergie Utilise les particules cosiques pour étudier les propriétés des particules Théatiques principales de recherche: Cosologie Recherche de la atière noire eutrinos (solaires cosiques supernovae Désintégration du proton Astronoie à haute et très haute énergie (rayons cosiques Ondes gravitationnelles neutrinos Le systèe d unités naturel (S consiste à prendre coe étalon de esure: Vitesse Moent cinétique Energie ev Dans ce systèe d unités on pose: et toutes les quantités physiques se esurent en GeV Par exeple: avec " Energie GeV Teps GeV Ipulsion GeV Longueur GeV Masse GeV Surface GeV Pour les systèes quantiques relativistes il est plus naturel (coode d exprier une vitesse coe une fraction de et un oent cinétique en teres d unités de Les facteurs de conversion pour par exeple le ètre et la seconde sont donnés par: % ( Cadre théorique pour l étude des particules et de leurs interactions La description des particules éleentaires et de leurs interactions se fait dans le cadre de la Théorie Quantique Relativiste des Chaps (Relativistic Quantu Field Theory: RQFT Macroscopique Microscopique Lent ( Mécanique Classique Mécanique Quantique Rapide ( Relativité Restreinte Théorie Quantique Relativiste des Chaps ous n étudierons pas ici la RQFT Elle fait l objet d un cours à part ous adettrons et utiliserons sans déonstration quand il le faudra les résultats de cette théorie pour l étude des particules éléentaires et de leurs interactions
4 ( 3 3 " " " " % " " ( " 6 Conversion SI S: Une quantité qui a l unité o ù et sont respectiveent les unités de la asse (en kilograe de la longueur (en ètre et du teps (en seconde dans le systèe SI aura l unité avec dans le S Quantité SI S Facteur de conversion Vitesse Longueur GeV Teps GeV Ipulsion GeV Energie GeV Moent Angulaire Masse GeV s Kg ( Kg s Joule Js ( s 3 Les leptons Propriétés (intrinsèques des particules Masse Teps oyen de vie ou largeur Charges Spin oent agnétique Isospin (fort Isospin faible Hypercharge faible (nobres quantiques internes autres nobres quantiques internes: Parité Leptons ass (GeV durée de vie charge nobre leptonique 6 % électrique ans s s Reaque: Les antiparticules correspondants ont les êes asses et les êes durées de vies ais des charges électriques et des nobres leptoniques opposés Leptons insensibles aux interactions fortes sensibles aux interactions électroagnétiques et faibles et 3 Particules éléentaires et interactions fondaentales qqs aine de GeV ( 3 sensibles aux interactions faibles uniqueent Echelle d énergie Chaps de atière (Ferions: 6 leptons 6 antileptons 6 quarks 6 antiquarks Chaps d interaction (Bosons: (interaction électroagnétique gluons (interaction forte (interaction faible Graviton (négligeable à GeV 6Reaque: A l échelle d énergie de qqs aine de GeV ( 8 s les particules de atière et d interaction se coportent coe des particules éléentaires ie ne présentant aucune sous structure
5 ( % 6 " b ass (GeV durée de vie (s R V V 3 Q Q M % U L élange élange I élange ( ass (GeV durée de vie (s A B " Les Baryons (3 quarks Contenu en quark ans résonances et états excités: etc % " " Les quarks quarks ass (GeV charge nobre Isospin strangness char bottoness topness électrique baryonique Reaque: Les antiquarks portent des charges (électriques couleurs et des nobres quantiques internes (nobre baryonique Isospin opposés à ceux des quarks corespondants Quarks sensibles à toutes les interactions Principe de confineent: Potentiel de liaison entre quarks augente avec la distance: quarks (à l exception du quark confinés dans des hadrons (odèle des quarks: Mésons: états liés quarkantiquark Baryons: états liés à trois quarks Principe de liberté asyptotique: Constante de couplage fort Interaction forte qd distance entre quarks quand Caractéristiques des interactions fondaentales Interaction électroagnétique: Théorie sousjacente: électrodynaique quantique (QED Syétrie sousjacente: Source de l interaction: charge électrique Constante de couplage (à l échelle de Durée ou teps caractéristique de l interaction: Médiateur de l interaction: photon ( Portée de l interaction: Section efficace typique: 6 : ; 6 : < Les Mésons (quarkantiquark Contenu en quark s exeples: Q G Q E OP M E M G M E J G J G K J E DHG élange résonances et états excités: JTS M S Q S etc 8 Q E Q G DFE C
6 E ; 6 6 ; relativiste ( " % : ( 6 ::3 ;atrice ; Interaction faible: Théorie sousjacente: électrofaible Syétrie sousjacente: Source de l interaction: isospin et hypercharge faibles Constante de couplage (à l échelle de : Durée ou teps caractéristique de l interaction: s Médiateur de l interaction: Portée de l interaction: GeV GeV f Section efficace typique: fb exeples: ( Interaction forte: Théorie sousjacente: chroodynaique quantique (QCD Syétrie sousjacente: Source de l interaction: couleurs Constante de couplage (à l échelle de : Durée ou teps caractéristique de l interaction: s Médiateur de l interaction: gluons (8 Portée de l interaction: ais f Confineent des quarks et gluons liberté asyptotique Section efficace typique: b exeples: Le Modèle Standard de la physique des particules Interaction gravitationnelle: Théorie quantique ( jauge: des chaps (RQFT basée sur le groupe de syétrie de Théorie sousjacente: relativité générale ais pas de théorie quantique gravitationnelle satisfaisante à ce jour Syétrie sousjacente: invariance sous les transforations d espaceteps (Groupe de Poincaré ( QCD 3 E 3 QED int faible Source de l interaction: asse 3 constantes de couplage: Constante de couplage (à l échelle de : Ferions groupés en doublés (3 failles de leptons 3 failles de quarks : Médiateur de l interaction: graviton Portée de l interaction: < 3 38 :<; décrivant le élange entre quarks Chap scalaire de Higgs pour attribuer les asses aux Bosons et et aux Ferions Brisure spontanée de la syétrie 3
7 E % % % Caractéristiques des interactions fondaentales Résué Interaction ForteElectroagnétique Faible Gravitationnelle source charge de couleurs charge électrique Isospin faible asse édiateur gluons (8 photon et Hypercharge faible asse graviton asse (GeV du édiateur 8 portée ( force relative teps caractéristique (s Section efficace typique ( (b ( b (fb Modèle Standard: Unification des interactions électroagnétiques et faibles: Interactions électrofaibles Chap scalaire de Higgs pour l attribution des asses aux bosons et aux ferions et
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