Isospin et particules

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1 Cours 2 Isospin et particules Introduction à la physique nucléaire Master MREE, Printemps 2017 Pr. Mohammed Benjelloun

2 Introduction Particules Introduction à la physique nucléaire Master MREE, Printemps 2017 Pr. Mohammed Benjelloun

3 Introduction L'atome était considéré comme une particule élémentaire Lors de la découverte du noyau atomique par Rutherford, et des électrons les atomes perdirent leur titre de particules élémentaires. Peu après, dès leur découverte, les protons et les neutrons reprirent le flambeau, aux côtés de l électron. Les protons et neutrons sont eux même le résultat d'un arrangement de particules encore plus petites : quarks. Aujourd'hui, les quarks sont considérés comme des particules élémentaires. On compte aujourd hui plusieurs centaines de hadrons, ces particules de la taille des protons et des neutrons. 15/03/2017 UCD -FSJ 2

4 Particules Introduction Tous les phénomènes physiques observables dans la nature peuvent s expliquer en faisant appel à quatre forces fondamentales : la force de gravitation, qui explique la pesanteur, les trajectoires des planètes ou des étoiles. L'effet de la gravitation est toujours attractif la force électromagnétique, est véhiculée par le photon, qui est de masse nulle, et est donc à portée infinie. L'effet est soit attractif ou répulsif. la force nucléaire forte, entre les quarks, est régie par les gluons g dont la masse est nulle. la force nucléaire faible agit lors de la désintégration Bêta par échange de bosons vectoriels de jauge, W +, W - et Z instables, de masses très importantes faible portée. 15/03/2017 UCD -FSJ 3

5 Quarks et gluons Les quarks possèdent également un autre nombre quantique que l'on a nommé charge de couleur (analogue à la charge électrique pour l'interaction électromagnétique). Un quark peut être «rouge», «vert» ou «bleu», mais il peut changer de couleur en échangeant un gluon. En physique, le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble en les liant très fortement. Ils permettent ainsi l'existence des protons et des neutrons (hadrons) Méson + Calculer la masse approximative du pion porteur de la force nucléaire forte à environ 1 (10-15 m), en supposant qu'il se déplace à presque la vitesse de la lumière. La distance parcourue par le pion est d c t c E 100 MeV E. t / 2 2t 2d 15/03/2017 UCD -FSJ 4

6 Classifications des particules Électromagnétique faible forte Quarks (spin ½) u d s c b t Hadrons et leurs antiparticules Charge Quark u = +2/3 d = 1/3 s = 1/3 Particules 3 Quarks 2 Quarks Baryons (lourd) (de spin :1/2, 3/2) u u d proton u d d neutron Mésons (moyen) (de spin : 0,1) méson p + Électromagnétique faible Leptons u d d u d d u u méson p - méson p 0 masse charge e e (spin ½) 15/03/2017 UCD -FSJ 5

7 Spin Isotopique ou Isospin On constate que le proton et le neutron ont, à part des charges électriques différentes, quasiment les mêmes caractéristiques, y compris des masses très semblables. Il semble s agir de deux aspects d une même particule, le nucléon. Nucléon 939 MeV Q= +1 proton Q= 0 neutron T z = +1/2 T z = -1/2 T= 1/2 On constate que les particules +, - et 0 ont des masses très semblables, à part les charges électriques différentes. Il semble s agir de trois aspects d une même particule, le pion. Méson 139 MeV Q= +1 méson p + Q= 0 méson p 0 T z =+1 T z = 0 T= 1 Q= -1 méson p - T z = -1 Ainsi, on caractérise les familles de hadrons par un nouveau nombre quantique, le «spin isotopique» ou «isospin» T. Comme tout nombre quantique, l isospin ne peut prendre que des valeurs bien définies. 15/03/2017 UCD -FSJ 6

8 Conservation du nombre Léptonique L Il existe six leptons connus, regroupés en trois paires de particules. Chaque paire comprend une particule chargée et un neutrino non chargé. Chaque lepton a une antiparticule correspondante. e e L'électron et les neutrinos sont stables. Les leptons chargés n'interagissent qu'avec des forces électromagnétiques et faibles, alors que pour les neutrinos, seules des interactions faibles ont été observées. Les muons décroissance par les processus d'interaction faibles A chaque paires «x» correspond un nombre quantique léptonique L x. La valeur de chaque nombre leptonique est conservée dans toute réaction. 15/03/2017 UCD -FSJ 7

9 Conservation du nombre Léptonique L L L ( e ) L ( ) L ( ) e L ( n) L (p) L ( e ) L ( ) e e e e e Le( ) Le( e ) Le( e ) Le( ) L ( ) L ( n) L ( e ) L ( p) L ( ) L ( n) L ( ) L ( p) L ( ) L ( n) L ( e ) L ( p) e e e e Les réactions qui ne conservent pas les nombres leptoniques sont «interdites», et ne sont pas observés. e e e charge 15/03/2017 UCD -FSJ 8

10 Conservation du nombre baryonique B Les baryons sont des particules à 3 quark Les quarks ont un nombre baryonique B =1/3, et les antiquarks ont un nombre de baryum de B = -1/3 les baryons ont un nombre baryonique B = +1 Les antibaryons ont un nombre baryonique B = -1 Les mésons et leptons ont un nombre baryonique B = 0 Les quarks ont des spin ½ Les baryons ont des spins intrinsèques (3/2, 1/2) fermions Les baryons les plus courants sont les nucléons (proton, neutron) Les familles de baryons (,,,, Ω) ont été observées Dans tout processus, le nombre baryonique total doit rester constante 15/03/2017 9

11 Etrangeté p K + Photo de la chambre à bulles de la production et de la décomposition d'une particule lambda. Un proton de haute énergie pénètre en bas, détruit un électron atomique (la faible spirale) en passant, puis entre en collision avec un proton au repos dans l'hydrogène liquide de la chambre à bulles. La collision produit 7 - à gauche, 9 particules positives à droite (un proton,un kaon ainsi que 7 + ), et le. p+p Étant neutre, le 0 ne laisse aucune piste, mais révèle son existence quand il se désintègre en un proton et un - au centre supérieur. p p+e - Le 0 est de la famille des particules étranges, qui contiennent un quark étrange. 15/03/2017 UCD -FSJ 10

12 Etrangeté - Production et décroissance de p K + 0 p 15/03/2017 UCD -FSJ 11

13 Etrangeté - Production et décroissance de ( =10-10 s) 0 K ( =10-8 s) p K 0 0 interaction forte t 1 c c E s Etrange!!! 15/03/2017 UCD -FSJ 12

14 Conservation du nombre Etrangeté S On produit la particule Les particules K 0 ; K 0 par interaction forte 0 0 p K sont des mésons (B=0) Les pions sont des mésons (B=0) 0 est un baryon (B=1) Le proton est un baryon (B=1) p K 0 0 La particule instable : 0 K 0 p (temps de vie observé secondes) (temps de vie observé 10-8 secondes) Ces réactions impliquent seulement des hadrons et le nombre baryonique est conservé. Comme le temps de vie observé est long devant secondes (interaction forte), l événement en interaction forte est interdite; il a lieu plutôt par interaction faible Etrange!!! 15/03/2017 UCD -FSJ 13

15 Conservation du nombre Etrangeté S Lorsque nous n'observons pas un processus de réaction ou de désintégration qui devrait se produire, nous cherchons la violation de certaines lois de conservation comme la charge électrique ou le nombre baryonique. Ce comportement inhabituel s'explique par l'introduction d'une nouvelle quantité conservée. Cette quantité est appelée l'étrangeté S On attribut aux mésons K + et K 0 l étrangeté S= +1, les mésons et les leptons S = 0 Dans les processus régis par les interactions fortes ou électromagnétiques, l'étrangeté totale doit rester constante. Dans les processus régis par l'interaction faible, l'étrangeté reste constante ou change d'une unité. 15/03/2017 UCD -FSJ 14

16 Conservation du nombre Etrangeté S Pour produire des mésons, les réactions suivantes peuvent être utilisées p p p n p p p p 0 p p p n p p p p Le nombre de pions crées dépend de l énergie disponible. Pour produire des mésons K, les réactions suivantes peuvent être utilisées 0 p p p n K p p p p K p p p n K K p p p p K K 0 Les réactions avec un nombre de K impairs ne se produisent jamais, même si le proton incident reçoit suffisamment d'énergie pour produire cette particule. Alors que les réactions donnant un nombre pair de K ont lieu. La conservation de l'étrangeté dans l'interaction forte explique pourquoi les mésons K sont toujours produits par paires dans des collisions proton-proton. Les protons et les neutrons sont des particules non-étranges (S = 0), donc le seul moyen de conserver l'étrangeté dans les collisions qui produisent des mésons K est de les produire par paires, toujours avec S = +1 et l'autre avec S = /03/

17 Nombres Quantiques des particules Interaction forte Hadrons Particules Fermions Leptons Fermions Baryons Quarks Bosons Mésons Baryonique B Etrangeté S Isospin T Leptonique L Il existe une relation qui lie les nombres quantiques T, B, S et la charge électrique Q Q B S Tz /03/2017 UCD -FSJ 16

18 Spin Quarks =1/2 Charge Quark u = +2e/3 d = e /3 s = e/3 Particules -mésons (Quark ; Antiquark) u d s u d s Q B S Tz 2 2 S = (-1) nombre de quark «s» S = (+1) nombre de quark s S Combinaison Quelles sont les possible combinaison quark-antiquark possible quark-antiquark (Q,J,B,S) Combinaison Charge Spin B S Q Dans le plan (Q,S) placer les couples (Quark ; Antiquark) 15/03/2017 UCD -FSJ 17

19 Particules-mésons B S S Q Tz Tz Q uu 0 Q 0 Tz 0 ud 1 Q 1 Tz 1 1 S 0 Tz Q dd 0 Q 0 Tz ud 1 Q Tz Q 0 Tz 0 ss 0 Spin = 0 ds 0 Q 0 Tz 0 S 1Tz Q 1 1 us 1 Q Tz us 1 Q 1 Tz 1 S 1Tz Q ds 0 Q 0 T z 0 15/03/2017 UCD -FSJ 18

20 Particules-mésons (spin=0) (a) Superposition de plusieurs paires quark-antiquark. 15/03/2017 UCD -FSJ 19

21 Particules-Baryons Spin Quarks =1/2 (Q 1,Q 2,Q 3 ) Charge Quark u = +2e/3 d = e/3 s = e/3 Combinaisons possible 3 quarks u d s S Spin =1/2 isospin T=0 isospin T=1/2 Combinaison Charge Spin B S ++ 0 p n isospin T=1/2 Spin =3/2 isospin T=1 Q S = (-1) nombre de quark «s» 15/03/2017 UCD -FSJ 20

22 B S 1 S Q Tz Tz Q Particules-Baryons uuu 2 Q 2 Tz 3 /2 1 uud 1 Q 1 Tz 1 /2 S 0 Tz Q 2 udd 0 Q 0 Tz 1 /2 1 3 /2 ddd 1 Q Tz uus 1 Q 1 Tz 1 S 1Tz Q uds 0 Q 0 Tz 0 uds 1 Q 1 Tz 1 1 uss S 2 Tz Q 2 dss 0 Q 0 Tz 1 /2 1 Q 1 Tz 1 /2 S 3T Q 1 sss 1 Q 1 T 0 z z Spin =1/2 Spin =3/2 15/03/2017 UCD -FSJ 21

23 Particules-Baryons Particule Antiparticule Charge Spin Etrangeté J 1/ 2 J 3 /2 15/03/2017 UCD -FSJ 22

24 Modes de décroissance Particule Antiparticule Charge Spin Etrangeté Masse (MeV) Vie moyenne (s) Produits décroissance 15/03/2017 UCD -FSJ 23

25 Exercices 1) Considérez les réactions suivantes. Déterminer si chacune d'elle est autorisée via l'interaction forte. Si ce n'est pas le cas, déterminer si oui ou non elle est permise par interaction faible ou si elle est absolument interdite. Si elle est interdite, indiquez la loi sur la conservation qui l'interdit. 2) Le μ + (muon positif) se désintègre en un e + et deux autres particules. En utilisant les lois de conservation identifiez les deux autres particules. 3) Dans le processus A + B C + D les particules C et D appartiennent à un multiplet d isospin zéro. Les particules A et B appartiennent chacune à un multiplet d isospin 1/2. Si pour A T 3 = ½, que vaut T 3 pour B? Cette réaction peut-elle se faire par l'interaction forte? Supposons que dans la réaction ci-dessus, la particule A appartienne à un multiplet d isospin zéro et B a pour composantet 3 = 0 d'un multiplet T = 1. La réaction va-telle avoir lieu par l interaction forte? 15/03/2017 UCD -FSJ 24

26 Exercices On veut produire le baryon (S= -3), à partir d un faisceau de K - sur des protons: K p particules. Déterminer ces particules et comment décroit? Lois de conservations : Q : 11 1 Q Q 1 B : 0 1 B B 0 S : 1 3 S S 2 L : 0 0 L L 0 p p p p p p p p Mésons de charge +1 et S=+2 2 Méson S=1 K K 0 K p K K 0 Faible S ( S 3) X( S 2) Q= -1, S= -2, B=1 Q= -1, S= -2, B=1 Q= 0, S= 0, B=0 0 Q= -1, S= -1, B=1 Q= 0, S= -1, B=0 K 0 Q= 0, S= -2, B=1 Q= -1, S= 0, B=0 0 Q= 0, S= -1, B=1 Q= -1, S= -1, B=0 K /03/2017 UCD -FSJ 25

27 K Décroissance de K us ud ud ud s d ud ud s W u W u d s u u d g g d d Le quark u étant spectateur Le quark s (étrange) décroit par interaction faible en W + et un quark u, passant ainsi de S=+ 1 à S=0 Dans la désintégration du W +, un antiquark d, un quark u et un gluon sont créés. le gluon créé se matérialise un quark d et un antiquark d. 15/03/2017 UCD -FSJ 26

28 Introduction particules 15/03/2017 UCD -FSJ 27