INTRODUCTION SUR LES PARTICULES ELEMENTAIRES

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1 Pré-School : May INTRODUCTION SUR LES PARTICULES ELEMENTAIRES Farida IDDIR, Laboratoire de Physique Théorique d Oran, Université d Oran Es-Sénia, 31100, ES-SENIA, ALGERIE.

2 connaissance de la constitution de notre Univers nombreuses investigations théoriques et expérimentales (au cours des temps) aujourd hui: connaissance incomplète (nombreuses questions encore non résolues)

3 A l'origine, TOUT notre Univers les quatre éléments fondamentaux : E A U F E U A I R TERRE

4 1803, J. Dalton : constitution de la matière nécessité de l'existence d'un atome. Puis. Les chimistes "Tableau" des corps purs : "éléments chimiques" ( 92 en 1900 ) H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti Rb Cs Os Trop compliqué! ( ~ 100 éléments ) Les physiciens ont ensuite, petit à petit, mis à jour les constituants de cette matière.

5 Première particule découverte l'électron (1897, J.J.Thomson) : E. Rutherford atome = + Noyau électrons autour Le proton est découvert en Puis le photon, et ensuite le neutron (1932, Chadwick). structure de l'atome Puis. Ǝ monde subnucléaire : n et p particules composées ( «quarks» ) n et p pas seuls : Ǝ autres particules ( «hadrons») e - pas seul : Ǝ autres particules ( «leptons»)

6 W. Pauli, 1930 : bilan énergétique désintégration β : Ǝ particule neutre légère conservation des m ts cin. Puis. E. Fermi, 1933 neutrino (petit neutron: ν e ). " ANTIPARTICULE " "particule théorique", observable (Dirac) comportement équation mettant des en jeu les carrés deux solutions particules de certaines grandeurs: solution "ordinaire" particule connue autre solution "particule théorique". confirmé expérimentalement le positron (e + ), 1933 par Anderson l'antiproton ( p),

7 A partir de 1947 : conditions expérimentales améliorées (nouveaux accélérateurs, énergies de plus en plus importantes) découverte de nouvelles particules et étude des interactions. Pion π, Kaon K Les années 50 nombre important de particules découvertes enrichit la physique des particules: les Kaons K, les Σ, Λ, η, Υ, Φ, Ξ, ainsi que ω et ρ. Le succès important de cette époque : découverte du nombre quantique étrangeté et sa conservation dans les interactions fortes. Classement des particules: deux grandes familles baryons mésons et chaque membre distingué par sa charge, son étrangeté, et sa masse.

8 1961 : "the Eightfold way" (M. Gell-Mann) : par ex : les 8 baryons légers l'octet des baryons. n p S= 0 Σ Σ 0 Σ + S= -1 Ξ Ξ 0 Q=+1 S= -2 Q=0 Q=-1 Fig.1 De même, les 8 mésons légers sont regroupés dans un même hexagone formant l'octet des mésons pseudo-scalaires : K 0 K + S=+1 π π 0 π + S= 0 Κ K 0 Q=+1 S=-1 Q=-1 Q=0 Fig.2

9 L'hexagone n'est pas la seule figure regroupant les particules : schéma triangulaire qui incorpore les 10 baryons lourds, le décuplet (figure 3). Δ - Δ Δ + Δ ++ S= 0 Σ* - Σ* Σ* + S= -1 Q= 2 Ξ* - Ξ* + S= -2 Q= 1 S= -3 Q= 0 Ω - Q= -1 Fig.3 Confirmation du classement de Gell-Mann : au fur et à mesure que les expérimentateurs découvraient les particules du décuplet sauf une. prédiction de l'existence du Ω. découverte expérimentale crédibilité du Eightfold way. Dans les dix années qui suivirent, chaque hadron nouveau observé trouva sa place dans l'un des supermultiplets.

10 Cette procédure de classement base de la classification des particules. "Pourquoi les hadrons s'ajustent-ils dans ces schémas?" 1964 : Gell-Mann et Zweig tous les hadrons composés de constituants élémentaires, les quarks le Modèle des Quarks

11 LA CLASSIFICATION DES PARTICULES JAUGE BOSONS γ, W +, W -, Z 0, g, gr? H? LEPTONS e ±, μ ±, τ ± ν e, ν μ, ν τ ( + ν) H A D R O N S M E S O N S B A R Y O N S π ±, π 0, η 0,. ρ K ±, K 0, 0 K, D ±, D 0, 0 D, B ±, B 0, 0 B,.. p, n, Λ ±,0, Ξ ±,0, Σ ±,0, Δ ±,0, Ω - Λ c,. Σ c,... Toutes les découvertes la matière est composée de deux types de constituants, fermions (de spin 1/2): les quarks (au nombre de six) les leptons (au nombre de six, également). Ces constituants peuvent interagir entre eux par l'échange de bosons (spin entier), médiateurs des différents types d'interactions.

12 Les quarks six (6) variétés : saveurs regroupés par deux, en 3 "familles" (ou générations): u d c s t b ; quark q antiquark q (nb quantiques opposés) charges fractionnaires: 2 e u, c, t e d, s, b u (up) et d (down) quarks légers constituants des nucléons connus (neutron et proton) s (strange), quark étrange présent dans les mésons K dits "étranges" pour leur propriété inattendue c (charm) mis en évidence (74) Ψ à SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), et J à BNL (Brookhaven National Laboratory); on nomme cette particule J/Ψ, charmonium c c. b (bottom) mis en évidence à Fermilab (77) dans la combinaison b b, appelée Upsilon Υ. t (top), confirmé en 94 à Fermilab est très lourd, par rapport aux cinq autres.

13 Saveur identité des quarks portée par nbres quantiques: l'étrangeté, le charme, la beauté,... Les quarks, constituants des hadrons Les quarks ne peuvent être observés à l'état de particules libres. confinés à l'intérieur des hadrons. Hadrons états liés de quarks et/ou antiquarks - les mésons états liés q q ( J entier) ou états singlets de spin (J=0: mésons pseudo-scalaires 0 ) états triplets de spin (J=1: mésons vectoriels 1 ). Leur moment cinétique total peut atteindre des valeurs plus élevées, dans le cas des excitations orbitales. ex : les pions π+, π, π⁰ les Kaons K+, K, K⁰,... les mésons éta η, η les rho ρ+, ρ, ρ⁰ les Ψ,...

14 - les baryons états liés qqq ( J demientier) nbre baryonique B=±1 ou 0 (tj conservé) Les plus connus : le neutron (n udd) et le proton (p uud); nous pouvons aussi citer les N (excitations de n et p), les Δ, les Σ, les Ξ, Ω,... Modèle des Quarks les hadrons éléments de multiplets d'isospin, obéissant à la symétrie de saveur SU(N). En plus de la saveur, les quarks portent une couleur (on les dit colorés) charge de couleur source de l'interaction qui lie les quarks au sein du hadron. Chaque quark triplet de couleur (Rouge, Bleue, Verte). Les trois couleurs base de la représentation fondamentale du groupe SU(3) C. Théorie de l'interaction forte responsable du confinement des quarks (Q. C. D.) objets non colorés observables (les singlets de couleur), on ne peut observer un quark seul, ni un diquark (qq).

15 Dans SU(3) C, les quarks sont classés: 3, les antiquarks 3; ainsi dans la représentation de couleur, on construit les mésons: 3 3=1 8, les baryons: 3 3 3= La symétrie de couleur est une symétrie exacte: mésons: 1 3 α, β q α A q B β A,B,C : indices de saveur baryons: 1 6 ε α, β, γ αβγ q A α q B β q C γ α,β,γ : indices de couleur. Les hadrons ordinaires (ou standard) : q q' (mésons) ou qq q (baryons), + mer de paires q q (qui ne contribuent pas aux nbres quantiques). Seuls les objets non colorés physiques. la théorie permet l'existence d'autres objets, singlets de couleur, mais qui ne sont ni q q' ni qq q : Les hadrons exotiques. Glueballs, hybrides, diquonia, molécules de quarks,. Récemment, des observations ont mis en évidence de bons "candidats exotiques".

16 Les masses des quarks liés). Le concept de masse associé à tout objet libre ne peut être utilisé pour le quark ( n'existe que dans des états Ainsi le quark a deux masses! 1. Comme fermion, élément d'un système en interaction, géré par une Théorie des Champs (relativiste), il porte sa "masse-courant", générée dans le Lagrangien. Cette masse est faible (quelques MeV). 2. Le confinement : non établi rigoureusement par la théorie modèles de potentiel. q objets lourds, états liés énergies de liaison importantes, mouvement supposé non relativiste (NRQM). potentiel confinant, en attribuant aux quarks des masses effectives, les "masses constituantes". m(u) ~ MeV m(d) ~ 4-8 MeV m(s) ~ MeV m(c) ~ GeV m(b) ~ GeV m(t)~ GeV. A remarquer la masse très importante du quark top, le dernier mis en évidence!

17 Les leptons - Elémentaires - Q = 0 ou ±e - trois types (ou saveurs): e, μ, τ. ν e e ν μ μ ν τ τ chaque lepton son antiparticule nbre leptonique L = ±1, lié à sa saveur: L e, L μ, L τ (tj conservé) Dans le Modèle Standard, ν hélicité gauche, J z =-(1/2) ν L ( ν ) R de plus, m ν = 0

18 LES DIFFERENTS TYPES D INTERACTIONS Principes de la physique lois de symétrie description des différents types d'interaction par des théories de jauge échange de bosons ( les bosons de jauge ). quatre types d'interactions * l'interaction gravitationnelle, la plus familière et moins importante en intensité. source la masse médiateur le graviton (? spin 2). ex : la pesanteur. * l'interaction électromagnétique source charge électrique médiateur le photon de spin 1. ex : liaison atomique. * l'interaction faible source l'isospin trois médiateurs: W+, W, Z⁰ de spin 1. ex : la désintégration β. interaction électromagnétique et interaction faible unifiées le Modèle Standard électrofaible traitées par une même théorie (groupe de jauge SU(2) U(1)). * l'interaction forte source la couleur médiateurs : les gluons (de glue: colle) de spin 1, colorés (8 couleurs). ex : liaison des quarks dans un proton,

19 ou stabilité d'un noyau (liaison n-n, p-p, ou n-p). Elle est basée sur le groupe de jauge SU(3) C. LES RECHERCHES ACTUELLES Information sur le monde qui nous entoure incomplète nombreuses questions encore non résolues De nombreuses recherches, encore nécessaires sur le plan théorique sur le plan expérimental construction de dispositifs de mesure de + en + performants énergies d'accélération de + en + importantes -- La recherche du boson de Higgs. lim. exp. M(H) 115 GeV. -- La nature des bosons de jauge (élémentaire ou composite), les couplages trivecteurs -- Les couplages de Yukawa (fermions) -- La Violation de la symétrie CP dans les interactions faibles :

20 Tests exp. Origine de cette violation -- La recherche sur les neutrinos Masse Oscillations de saveur -- La recherche de hadrons exotiques intense activité expérimentale (au CERN et à BNL) élaboration de modèles d'interprétation théorique. -- La confirmation de certaines théories la supersymétrie (SUSY), recherche des "superparticules" la supergravité, ou le modèle symétrique Left-Right,... et les "GUT's", théories Grand-Unifiées.