La Physique des Particules en quelques mots. Riccardo Rattazzi (Laboratoire de Physique Théorique des Particules, EPFL)

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1 La Physique des Particules en quelques mots Riccardo Rattazzi (Laboratoire de Physique Théorique des Particules, EPFL)

2 Phénomènes Lois Applications

3 Phénomènes électromagnétiques Equations de Maxwell E = propagation de la lumière, (diffusion, diffraction et réflexion) radio-astronomie, laser, télécommunications, physique des plasmas,... c 2 B E t = J E + B t = 0 B = 0 F = q(e + v ^ B)

4 La physique des particules a le but de formuler les plus fondamentaux lois et principes de la Nature fondamental microscopique les plus petites distances imaginables (Réductionnisme) pour faire cela les phénomènes considérés doivent être les plus simples possibles

5 les autres sciences naturelles sont plus orientées vers les phénomènes (plusieurs fois fascinants) qui apparaissent dans le domaine macroscopique, et pour lesquels on crois connaitre très bien les lois... même si parfois il est difficile, voir impossible, faire de calculs matière condensé (superfluidité, supraconductivité,...) chimie dynamique des fluides (turbulence, météorologie) géologie biologie...

6 Mécanique

7 i =1,...,N q i (t) = coordonnées décrivants le système : t! q i (t) Dynamique Principe de l action stationnaire Z tf S[ ]= L(q, q)dt t i trajectoire cl S = cl =0

8 d L L eqs. du S =0 dt q i q i =0 mouvement Z S = L(q, q)dt on dit que la dynamique est locale dans le temps

9 Relativité

10 t B référentiel en mouvement A A B x Causalité!? A peut influencer B seul avec un signal avec vitesse v<c Pour cela il faut un milieu : un champ

11 h(x, y, t)

12 Mechanique des Champs Z S = d 3 xdt L(,, t ) Exemple: champ EM S = Z d 3 xdt 1 2 h E 2 B i

13 Mechanique Quantique Déterminisme Classique Déterminisme Quantique on peut seulement parler de probabilité Z A(q in q fin )= D e i S[ ] ~ : q(t in )=q in q(t fin )=q fin P (q in q fin )= A(q in q fin ) 2

14 [S] = energie temps action ~ erg sec régime quantique S ~ limite classique S ~ A = Z D e i S[ ] ~ dominé par le trajectoires ou S est stationnaire S =0

15 Principe d Incertitude p q ~ Nature discrète de l espace des configurations Onde d intensité minimale = particule

16 Relativité Mécanique Quantique l interaction instantané est impossible Nature discrète du monde microscopique il faut des champs onde d intensité minimale: particule

17 Relativité Mécanique Quantique c cm/sec erg sec x = c t E = m c 2 E = = time Énergie = Mass = ( Longueur ) -1 hautes énergies quant. mech. courtes distances relativité nouvelles particules lourdes

18 Interaction = échange des particules diagrammes de Feynman électron + E avant après + nucleus photon t temps E l énergie n est pas conservé dans chaque interaction! Mais aucune contradiction grâce au Principe d Incertitude E t ~

19 Le Modèle Standard matter anti-matter particules = champs leptons quarks (e ν e ) (e + ν e ) (µ ν µ ) (µ + ν µ ) (τ ν τ ) (τ + ν τ ) (u d) (ū d ) (c s) ( c s) (t b) ( t b) champs de force

20 Les champs de force On peut distinguer 5 different forces fondamentales

21 Symmetry Particle Electromagnetic photon SU(2) U(1) Weak W ±, Z 0 spin = 1 Strong SU(3) color gluon Gravitational space-time coordinate covariance graviton spin = 2

22 Symétrie Particule La Force de Higgs aucune! H Boson de Higgs spin = 0

23 Phases of Fundamental Interactions Coulomb phase Gravity Electromagnetism F 1 r 2 M = 0 Confined Strong Weak M = 0 Screened & F e Mr ( 1 r Higgs 2 + M r ) M W = 80 GeV 90 m proton M H = 125 GeV

24 Le champ de Higgs = la realisation la plus simple du mechanisme de generation de masse des particules H = H+ H 0 vecteur complex dans l espace de la charge R 4 (fibré sur ) le vide est polarizé H = 0 Brisure Spontanée de Symétrie V ( H) H + H 0

25 H = 0 H = 0 M Z 0 = 0 M Z 0 = 0 analogie avec la propagation de la lumière dans un cristal quarks et leptons reçoivent une masse de la même façon diagrammatique H electron m electron = 0

26 Des grandes questions...et des énormes La matière noire La baryogenèse L Univers primordial: Big Bang et théorie de l inflation La gravité face à la mécanique quantique Les problèmes de hiérarchie: masse du boson de Higgs et énergie du vide

27 Quantum Gravity GeV M Planck = G 1/2 Newton cm? 10 2 GeV m Higgs Standard Model cm

28 Le problème de hiérarchie dans la masse du boson de Higgs Le Principe Totalitaire de Gell-Mann: en MQ tout ce qui est possible est aussi obligatoire 10 4 ' m 2 H = m 2 class + m 2 quant = m 2 class + O(M 2 Planck)=m 2 class + O(10 38 )? il faudrait une tuning d une précision de 34 ordres de grandeur entre les masses classiques et quantiques! Pas du tout convaincante

29 Le way out : le Modèle Standard est déjà incorrect a des énergies de l ordre de la masse du boson de Higgs Deux Possibilités Supersymétrie Compositeness Pas d évidence directe dans les données pour le moment Un grand monde attends la nouvelle phase du LHC dans quelque mois, avec des collisions a une énergie jamais obtenue auparavant