Physique des Particules

Physique des Particules Mossadek Talby Master de Physique - 1ère année January 8, 2019 Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 1 / 22

Qu est ce que la Physique des Particules? Physique des interactions fondamentales (forces), des constituants ultimes de la matière et de leurs interactions Physique des hautes énergies (HEP): courtes distances Physique des premiers instants de notre Univers But/Objectifs? Découvrir les constituants ultimes de la matière, leurs natures et leurs propriétés, et l origine des intercations fondamentales, Décrire les particules élémentaires et leurs interactions à différentes échelles d énergie dans un cadre théorique unifié. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 2 / 22

Mossadek Talby (Master de Physique - 1e re anne e) Physique des Particules January 8, 2019 / 22

Deux approches complementaires: Théorique: construire/fournir des théories/modèles pour décrire les données expérimentales et proposer de nouvelles approches/schémas au-delà des connaissances prouvées expérimentalement dans le but d une description unifiée des constituants ultimes de la matière et de leurs interactions. Expérimentale: tester les prédictions des théories/modèles existants et fournir de nouvelles données pour améliorer la description théorique des particules et de leurs interactions à différentes échelles d énergie. Trois champs expérimentaux d étude : Expériences auprès des accélérateurs de particules (CERN, FNAL,...). Expériences utilisant des anti-neutrinos issus des réacteurs nucléaires ou auprès de sources radioactives. Expériences utilisant des particules cosmiques (Astroparticules). Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 4 / 22

Cadre théorique Le cadre théorique utilisé pour décrire les particules et leurs interactions est la théorie des champs quantiques relativistes (RQFT). Monde macroscopique Monde microscopique non relativiste (v c) Mécanique classique Mécanique quantique relativiste (v c) Relativité RQFT Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 5 / 22

Systèmes d unité et facteurs de conversion Systèmes d unité et facteurs de conversion En physique des particles, les systèmes étudiés sont relativistes et possèdent des propriétés quantiques. Deux constantes fondamentales: Vitesse de la lumière c (propriété relativiste), Constante de Planck (propriété quantique). Dans le système d unité internationale (SUI) les valeures de ces deux constantes fondamentales sont: c = 2.998 10 8 m s 1 = 1.054 10 4 J s Pour des systèmes quantiques relativistes, il est naturel (approprié) d exprimer la vitesse comme une fraction de c et le moment angulaire en termes de. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 6 / 22

Systèmes d unité et facteurs de conversion Unité d énergie Le Joule est une unité d énergie appropriée pour les systèmes macroscopiques. Pour les systèmes microscopiques on préfère utiliser l électron-volt (ev), ou tout multiple de ev i.e. KeV (10 ev), MeV (10 6 ev) ou GeV (10 9 ev) comme unité d énergie. 1 ev corresponds à l énergie cinétique acquise par un electron soumis à une différence de potentiel électrique de 1 Volt (charge électrique de l électron 1 Volt). Par définition, le facteur de conversion ev Joule est : 1 ev = 1.602 10 19 joule = 6.58 10 25 GeV s Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 7 / 22

Unités du temps et de la longueur Systèmes d unité et facteurs de conversion Les unités du temps et de la longueur pour des systèmes quantiques relativistes (particules de haute énergie), peuvent, à partir de l équation aux dimensions, être exprimées en fonction des constantes fondamentales et c de la manière suivante : [temps] = E et [longueur] = c E où E est l énergie de la particule. Pour une particule, au repos par exemple, de masse M et d énergie E = Mc 2 = 1 GeV, les expressions de la longueur et du temps sont données par: L = T = c 1GeV = 0.197 10 15 m 1GeV = 6.58 10 25 s Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 8 / 22

Le système d unité naturelle (SUN) Systèmes d unité et facteurs de conversion Le SUN consiste à utiliser comme standards de mesures: Vitesse = 1 c Moment angulaire = 1 Energie = 1 ev Dans ce système d unité on pose: c = = 1 toutes les quantités physiques peuvent dans ce système être exprimées en unité de GeV n avec nɛz. Par exemple: Energie GeV Temps ( /E) GeV 1 Impulsion GeV Longueur ( c/e) GeV 1 Masse GeV Surface (Longueur 2 ) GeV 2 Par exemple, les facteurs de conversion pour le mètre et la seconde sont: 1m = 5.07 10 15 GeV 1 et 1s = 0.152 10 25 GeV 1 Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 9 / 22

Systèmes d unité et facteurs de conversion Conversion SUI SUN: Une quantité qui a comme unité M p L q T r où M, L et T sont respectivement les unités de masse (en kilogramme), longueur (en mètre) et temps (en seconde) dans le SUI, sera exprimée en unité d énergie à la puissance n, E n avec n = p q r dans le SUN. Quantité SUI SUN Facteur de conversion p q r n Vitesse 0 1-1 0 c = 2.998 10 8 m s 1 = 1 Masse 1 0 0 1 1 Kg = 5.61 10 26 GeV Longueur 0 1 0-1 1 m = 5.07 10 15 GeV 1 Temps 0 0 1-1 1 s = 1.52 10 24 GeV 1 Impulsion 1 1-1 1 1 Kg m s 1 = 1.86 10 18 GeV Energie 1 2-2 1 1 joule = 6.24 10 9 GeV Moment angulaire 1 2-1 0 = 1.054 10 4 j s = 1 Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 10 / 22

: A une échelle d énergie de quelques 100aine de GeV ( 10 18 m, 10 10 s) Champs de matière (Fermions): - 6 leptons + 6 anti-leptons - 6 quarks + 6 anti-quarks Champs d interaction (Bosons): - γ (intercation électromagnétique), - gluons (interaction forte), - W ±, Z (interactions faibles), - gravitation (négligeable). Champs scalaire (Boson): - Boson de Brout-Englert-Higgs Remarque: A une échelle d énergie de quelques 100aines de GeV ( 10 18 m), les particules de matière et d interaction se comportent comme des particules élémentaires i.e. ne présentent aucune sous-structure. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 11 / 22

Propriétés (intrinsèques) des particules: Masse, Durée de vie Moyenne ou largeur de désintégration, Charges (électrique, de couleurs), Spin, moment magnétique, Isospin (fort), Isospin faible, Hypercharge faible, Autres nombres quantiques internes: L e, L µ, L τ, B, S,, Parité, conjugaison de charge. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 12 / 22

Leptons Leptons masse (GeV) durée de vie moyenne Charge nombre leptonique électrique L e L µ L τ e 0.511 10 > 4 10 24 ans -1 +1 0 0 µ 0.106 2.197 10 6 s -1 0 +1 0 τ 1.777 0.291 10 12 s -1 0 0 +1 ν e < 10 9? 0 +1 0 0 ν µ < 0.2 10? 0 0 +1 0 ν τ < 18 10? 0 0 0 +1 Remarque: Les anti-leptons correspondants possèdent la même masse et la même durée de vie mais une charge électrique et un nombre leptonique opposés. Leptons sont insensibles à l interaction forte, e ±, µ ±, τ ± sensibles aux interactions électromagnétique et faibles, ν e,µ,τ et ν e,µ,τ sensibles aux interactions faibles uniquement. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 1 / 22

Quarks quarks masse (GeV) charge nombre Isospin strangness charm bottomness topness électrique baryonique I d 6 10 1 1 0 0 0 0 2 u 10 + 2 1 + 0 0 0 0 2 s 0.12 1 1 0-1 0 0 0 c 1. + 2 1 0 0 +1 0 0 b 4. 1 1 0 0 0-1 0 t 174 + 2 1 0 0 0 0 +1 Remarque: Anti-quarks portent des charges électrique et de couleur opposées, et des nombres quantiques internes (nombre baryonique, saveur, ) opposés à ceux des quarks correspondant. Quarks sensibles à toutes les interactions. Principe de confinement: Potential de liaison entre quarks augmente avec la distance: quarks (à l exception du quark top) sont confinés au sein de hadrons (modèle de quarks/partons): Mesons: états liés de quark-antiquark, Baryons: états liés de trois quarks. Principe de liberté asymptotique: La constante de couplage forte entre quarks α s quand l échelle d énergie Interaction forte quand la distance entre quarks. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 14 / 22

Mésons (quark-antiquark): J = 0, 1, Contenu en quarks I (J P ) masse (GeV) durée de vie moyenne (s) π ± ud, ud 1(0 ) 140 10 2.6 10 8 π o mixing uu, dd 1(0 ) 15 10 8.4 10 17 η mixing uu, dd, ss 0(0 ) 547 10 5.6 10 19 K ± 1 us, us 2 (0 ) 494 10 1.2 10 8 KS o 1 mixing ds, ds 2 (0 ) 498 10 0.9 10 10 KL o 1 mixing ds, ds 2 (0 ) 498 10 5.2 10 8 φ ss 0(1 ) 1.02 1.5 10 22 D ± 1 dc, dc 2 (0 ) 1.869 1.1 10 12 D 0, D o 1 uc, uc 2 (0 ) 1.865 0.4 10 12 D s ± sc, sc 0(0 ) 1.97 0.5 10 12 J/ψ cc 0(0 ).10 0.8 10 16 B ± 1 ub, ub 2 (0 ) 5.28 1.6 10 12 B 0, B o 1 db, db 2 (0 ) 5.28 1.5 10 12 Bs 0, B o s sb, sb 0(0 ) 5.7 1.5 10 12 B c ± cb, cb 0(0 ) 6.4 0.5 10 12 + résonances et états excités: ρ, K, D, B, Υ(1S, 2S, ), Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 15 / 22

Baryons ( quarks): J = 1 2, 2, Contenu en quarks I (J P ) masse (GeV) durée de vie moyenne (s) 1 p uud 2 ( 1 + 2 ) 0.98 > 10 25 ans 1 n udd 2 ( 1 + 2 ) 0.940 887 Λ 0 uds 0( 1 + 2 ) 1.12 2.6 10 10 Σ + uus 1( 1 + 2 ) 1.19 0.8 10 10 Σ 0 uds 1( 1 + 2 ) 1.19 7.4 10 20 Σ dds 1( 1 + 2 ) 1.20 1.5 10 10 Ξ 0 1 uss 2 ( 1 + 2 ) 1.1 2.9 10 10 Ξ 1 dss 2 ( 1 + 2 ) 1.2 1.6 10 10 Ω 1 sss 2 ( 1 + 2 ) 1.67 0.8 10 10 Λ + c udc 0( 1 + 2 ) 2.28 0.2 10 12 Ξ + 1 c usc 2 ( 1 + 2 ) 2.47 0.4 10 12 Ξ 0 1 c dsc 2 ( 1 + 2 ) 2.47 0.1 10 12 Ω 0 c ssc 0( 1 + 2 ) 2.70 0.1 10 12 Λ 0 b udb 0( 1 + 2 ) 5.64 1.1 10 12 + résonances et états excités: N,, Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 16 / 22

Caractéristiques des interactions fondamentales Interaction électromagnétique: Théorie sous jacente: Electrodynamique quantique (QED), Symétrie sous jacente: U(1), Constante de couplage (à basse échelle d énergie M p): α em = e2 4π = 1 17.060, Temps caractéristique d interaction: 10 16 10 20 s, Médiateur de l interaction: photon (γ), Portée de l interaction R : M γ = 0 R =, Valeur typique de la section efficace d interaction: σ em 10 m 2 = 10µb. exemples: π 0 γ + γ e + n e + n + π 0 e + + e µ + + µ Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 17 / 22

Interactions Faibles: Théorie sous jacente: Modèle standard de l interaction électrofaible, Symétrie sous jacente: SU(2) L U(1) Y, Constante de couplage (à basse échelle d énergie M p): α w = G F m 2 p 4π 10 6, Temps caractéristique d interaction: 10 12 s, Médiateur de l interaction: W ±, Z 0, Portée de l interaction R: M W ± = 80.4 GeV, M Z 0 = 91.2 GeV R 10 18 m 10 fm, exemples: Valeur typique de la section efficace d interaction: σ w 10 44 m 2 = 0.1 fb. n p + e + ν e mediator W π + µ + + ν µ mediator W + e + + e µ + + µ mediator Z 0 Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 18 / 22

Interaction Forte: Théorie sous jacente: Quantum Chromodynamics (QCD), Symétrie sous jacente: SU() C, Constante de couplage (à basse échelle d énergie M p): α s 1, Temps caractéristique d interaction: 10 2 s, Médiateur de l interaction: gluons (8), Portée de l interaction R: M g = 0 mais R 10 15 m 1 fm, Confinement des quarks et des gluons + libérté asymptotique, Valeur typique de la section efficace d interaction: σ s 10 0 m 2 = 10 mb. exemples: + p + π 0 K + p Λ + π + + π Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 19 / 22

Interaction Gravitationnelle: Théorie sous jacente: relativité générale mais à ce jour pas de théorie quantique des champs de la gravitation satisfaisante, Symétrie sous jacente: invariance sous la transformation de l espace-temps (groupe de Poincaré), Constante de couplage (à basse échelle d énergie M p): α g = G N M 2 p 4π 10 40, Médiateur de l interaction: Graviton?, Portée de l interaction: M G = 0 R =, Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 20 / 22

Modèle Standard de la Physique des Particules Théorie quantique ( ) relativiste (c) des champs (RQFT) basée sur le groupe de symétrie de jauge: constantes de couplages: α em, α w, α s SU() C SU(2) L U(1) Y {z } {z } 8 gluons γ,w ±,Z QCD QED + interactions faibles Fermions groupés dans des doublets d isospin faible ( familles de leptons + familles de quarks) : ««νi ui l ; d avec d i = X V ij d j i L i L j V, matrice décrivant le mélange des quarks. Champs scalaire de Brout-Englert-Higgs pour générer les masses des bosons W ± et Z, et des fermions. Brisure spontanée de symétrie de SU(2) L U(1) Y vers U(1) em. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 21 / 22

Résumé Interaction Forte Electromagnétique Faible Gravitationnelle Médiateur gluons (8) photon W ±, Z graviton? J P 1 1 1, 1 2 + Masse (GeV) du médiateur 0 0 80, 91 0 Portée (m) 10 15 10 18 Force relative 1 10 2 10 6 10 40 Temps caractéristique (s) 10 2 10 16 10 20 10 12? Section efficace typique (m 2 ) 10 0 (10mb) 10 (10µb) 10 44 (0.1fb)? Modèle Standard de la physique des particules: Unification des interactions électromagnétique et faibles: Interactions Electrofaibles. Champ scalaire de Brout-Englert-Higgs pour générer les masses des bosons W ± et Z 0, et des fermions à travers leur interaction (de type Yukawa) avec le boson de Brout-Englert-Higgs. Mossadek Talby (Master de Physique - 1ère année) Physique des Particules January 8, 2019 22 / 22