Dans la physique non-relativiste, l impulsion d un objet matériel ponctuel est définie comme:

Documents pareils
Contribution à l analyse des premières données de l expérience CMS au LHC.

Équivalence masse-énergie

Où est passée l antimatière?

PHYSIQUE QUANTIQUE ET STATISTIQUE PHYS-H-200

TD 9 Problème à deux corps

LE COSMODETECTEUR : UN EXEMPLE DE CHAÎNE DE MESURE

Lycée Galilée Gennevilliers. chap. 6. JALLU Laurent. I. Introduction... 2 La source d énergie nucléaire... 2

Un miroir brisé qui fait le bonheur des physiciens

PROBLÈMES DE RELATIVITÉ RESTREINTE (L2-L3) Christian Carimalo

A retenir : A Z m n. m noyau MASSE ET ÉNERGIE RÉACTIONS NUCLÉAIRES I) EQUIVALENCE MASSE-ÉNERGIE

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Chapitre 6. Réactions nucléaires. 6.1 Généralités Définitions Lois de conservation

Chapitre 5 : Noyaux, masse et énergie

La physique nucléaire et ses applications

C4: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Fig. 1 Le détecteur de LHCb. En bas à gauche : schématiquement ; En bas à droite: «Event Display» développé au LAL.

Chap 2 : Noyaux, masse, énergie.

Transformations nucléaires

Sujets de mémoires Master Physique Institut de Physique Nucléaire (FYNU/CP3) Année Académique

Energie Nucléaire. Principes, Applications & Enjeux. 6 ème /2015

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

Cours d électricité. Introduction. Mathieu Bardoux. 1 re année. IUT Saint-Omer / Dunkerque Département Génie Thermique et Énergie

Reconstruction et identification des électrons dans l expérience Atlas. Participation à la mise en place d un Tier 2 de la grille de calcul.

Les rayons cosmiques primaires chargés

Chapitre n 6 MASSE ET ÉNERGIE DES NOYAUX

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

8/10/10. Les réactions nucléaires

Transformations nucléaires

Interactions des rayonnements avec la matière

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

Stage : "Développer les compétences de la 5ème à la Terminale"

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

Interaction milieux dilués rayonnement Travaux dirigés n 2. Résonance magnétique : approche classique

w L atome w De l infiniment grand à l infiniment petit

Le second nuage : questions autour de la lumière

Qu est-ce qu un ordinateur quantique et à quoi pourrait-il servir?

Quelques aspects de l intégration du premier prototype de ligne d ANTARES

Introduction à la physique nucléaire et aux réacteurs nucléaires

PHY113 : Cours de Radioactivité

La physique quantique couvre plus de 60 ordres de grandeur!

Structure quantique cohérente et incohérente de l eau liquide

- I - Fonctionnement d'un détecteur γ de scintillation

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

INTRODUCTION A LA FUSION THERMONUCLEAIRE

À propos d ITER. 1- Principe de la fusion thermonucléaire

La fusion nucléaire. Le confinement magnétique GYMNASE AUGUSTE PICCARD. Baillod Antoine 3M7 29/10/2012. Sous la direction de Laurent Locatelli

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

ASTROPHYSIQUE. Aurélien Barrau et Gaëlle Boudoul sont chercheurs à l Institut des sciences nucléaires de Grenoble (CNRS/université Joseph-Fourier).

Lycée français La Pérouse TS. L énergie nucléaire CH P6. Exos BAC

Complément: Sources naturelles de rayonnement

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

Sur une possible fusion nucléaire quasi-catalytique à basse température

3 Charges électriques

Chapitre I- Le champ électrostatique. I.1.1- Phénomènes électrostatiques : notion de charge électrique

Introduction à la relativité restreinte David Augier

Equations de Dirac et fermions fondamentaux ( Première partie )

= b j a i φ ai,b j. = ˆBa i φ ai,b j. = a i b j φ ai,b j. Par conséquent = 0 (6.3)

Le savoir-faire du Centre d Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan au service d une mission spatiale internationale

L équation ultime. pour la physique 35 ÉNIGMES. Existe-t-elle cette «théorie du Tout» qui expliquerait simplement l ensemble des phénomènes

Compétence 3-1 S EXPRIMER A L ECRIT Fiche professeur

Comment réaliser physiquement un ordinateur quantique. Yves LEROYER

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre)

FICHE 1 Fiche à destination des enseignants 1S 16 Y a-t-il quelqu un pour sauver le principe de conservation de l énergie?

Groupe professionnel énergie de Centrale Nantes Intergroupe des centraliens de l énergie

La Fusion Nucléaire (Tokamak) Nicolas Carrard Jonathan Carrier Guillomet 12 novembre 2009

TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE I. Les quanta s invitent

LE VIDE ABSOLU EXISTE-T-IL?

Les équations n ont pas de préjugés

Stabilité et Réactivité Nucléaire

DM 10 : La fusion nucléaire, l énergie de l avenir? CORRECTION

Chap 8 - TEMPS & RELATIVITE RESTREINTE

Thèse présentée par. Détermination du flux de muons atmosphériques avec le télescope à neutrinos ANTARES

NOYAU, MASSE ET ENERGIE

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Orthoptiste / stage i-prépa intensif -

par Alain Bonnier, D.Sc.

La masse négative et l énergie positive des antiparticules

10 leçon 2. Leçon n 2 : Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1 er CU)

A) Les réactions de fusion nucléaire dans les étoiles comme le Soleil.

Quelques liens entre. l'infiniment petit et l'infiniment grand

MODELES DE DUREE DE VIE

BTS BAT 1 Notions élémentaires de chimie 1

Photons, expériences de pensée et chat de Schrödinger: une promenade quantique

Radioactivité et chimie nucléaire

5 >L énergie nucléaire: fusion et fission

Historique. Les radiations nucléaires 1

TS1 TS2 02/02/2010 Enseignement obligatoire. DST N 4 - Durée 3h30 - Calculatrice autorisée

Rapport d'activité

Travailler ensemble : Coopération, Collaboration, Coordination

DIFFRACTion des ondes

ITER et la fusion. R. A. Pitts. ITER Organization, Plasma Operation Directorate, Cadarache, France

Examen optimisation Centrale Marseille (2008) et SupGalilee (2008)

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

Résonance Magnétique Nucléaire : RMN

Chapitre 9 : fusion nucléaire dans les étoiles et fusion nucléaire contrôlée

Les Environnements Radiatifs

Continuité et dérivabilité d une fonction

Principe et fonctionnement des bombes atomiques

Transcription:

COURS 7,8. DYNAMIQUE RELATIVISTE. 14. Impulsion, masse, énergie. Dans la physique non-relativiste, l impulsion d un objet matériel ponctuel est définie comme: p n.r. = m 0 v = m 0 d x dt où m 0 est la masse de cet objet, v est sa vitesse. (1) En absence d une force appliquée, l impulsion est conservée, c est un vecteur constant, indépendant du temps. Si on a un ensemble d objets ponctuels, des particules par exemple, ou d objets materiels tout simplement, en interaction entre eux, alors leur impulsion totale sera conservée, au cours du temps. Dans la physique relativiste, on suppose que les lois de la physique sont les mêmes dans des référentiels différents, qui sont en mouvement relatif uniforme (vitesses relatives constantes). Alors, les quantités conservées (comme l impulsion, l énergie etc.) doivent, en toute généralité, être soit des quadri-vecteurs, soit, plus généralement, des quadritenseurs; tout simplement, pour qu on puisse faire des produits scalaires de ces quantités et obtenir des invariants. L amplitude de diffusion de particules, par exemple, s exprime en fonction des invariants, faits avec les impulsions des particules qui rentrent dans la collision, une autre façon de dire est que les lois de la physique, des interactions, sont les mêmes dans tous les référentiels. Les invariants ont des valeurs indépendantes des changements des référentiels. En conclusion, l impulsion p dans (1), qui est un vecteur dans l espace tridimensionel ordinaire, doit être remplacée par une quadri-impulsion p µ, qui doit se transformer comme un quadrivecteur. En plus, dans la limite non-relativiste, v c doit devenir égale à p n.r. dans (1). 1, la partie spatiale de pµ La seule quantité qui vérifie ces propriétés est la quadrivitesse de l objet matériel 1

ponctuel, multipliee par sa masse: p µ = m 0 u µ (2) La quadrivitesse a été définie dans le cours 3, éq.(84). On trouve alors: p µ = m 0 γ(v) c v (3) Dans la limite v c 1, γ = 1/ 1 v2 l impulsion non-relativiste dans (1). 1, la partie spatiale de p µ devient égale à La composante spatiale de p µ, éq.(3), est l impulsion, proprement dite, de l objet: p = m 0 γ(v) v (4) maintenant une impulsion relativiste. La différence avec p n.r., éq.(1), est dans le facteur γ(v). Souvent l expression (4) de l impulsion s écrit sous la forme: p = m v (5) avec m = m(v) = m 0 γ = m 0 (6) 1 v2 c.à.d. le facteur devant la vitesse est interpreté comme la masse de l objet, tout comme dans le cas non-relativiste, éq.(1). Dans le cas relativiste, si l impulsion s écrit comme dans (5), alors la masse de l objet dépend de sa vitesse, éq.(6). Dans ce cas m 0 est appelée la masse au repos de l objet, qui coincide avec la masse non-relativiste. D autre part, quand v c, la masse relativiste m(v), éq.(6), grandit et tend vers l infini. Il nous faut encore interpréter la composante temporelle de la quadri-impulsion p µ, éq.(3) : Nous allons donner des arguments pour conclure que p 0 = m 0 γ(v)c = m(v)c (7) cp 0 = m(v) (8) 2

est l énergie de l objet, ε(v), dans la physique relativiste. Retournons vers l impulsion p dans l éq.(4) ou (5). Tout comme dans la physique non-relativiste, sa variation avec le temps, la dérivée: doit être associée avec la force extérieure appliquée à l objet. d p dt (9) Parce qu en absence d influence exterieure (qui est appelée la force ), p est conservée, la dérivée dans (9) sera égale à zéro. Alors on peut écrire, comme dans le cas non-relativiste, que: d p dt = F (10) La différence avec le cas non-relativiste se trouve uniquement dans la forme de p, éq.(4),(5). L éq.(10) est l équation du mouvement de l objet, dans la physique relativiste, toujours à condition que p soit définie comme dans (4),(5). Ensuite, on se rappelle que F d x (11) est le travail élémentaire effectué par la force F, quand l objet, sous l influence de la force F, est déplacé sur un vecteur d x dans l espace. Ce travail s ajoute à l énegie de l objet. Donc: dε = F d x (12) En exprimant F en fonction de l impulsion de l objet, par l éq.(10), on trouve: dε = d p d x = d pd x dt dt = d p v (13) Mettons maintenant p, comme exprimée par l éq.(4), dans l équation (13) ci-dessus. On trouve: 1 1 = m 0 [ + (1 v2 ) c 3/2 vd v v2 2 = m 0 + v2 dε = m 0 dγ v 2 + m 0 γd v v + (1 v2 ) vd v = ) c 3/2 2 (1 v2 = 1 (1 v2 ) 1/2 vd v] m 0 (1 v2 ) 3/2 vd v m 0 vd v m 0 = d[ ] (14) (1 v2 ) c 3/2 (1 v2 ) 1/2 2 3

En résumé, on trouve: m 0 dε = d[ ] (15) (1 v2 1/2 Pour intégrer cette équation, il faut préciser l état de l objet au moment initial. Supposons qu au début, avant l application de la force, l objet était au repos, v initiale = 0. v finale nous allons toujours noter comme v. Alors, en intégrant l éq.(15), on trouve: Cette équation suggère que Autrement dit: ) ε finale ε initiale = m 0 m 0 (16) 1 v2 ε initiale = ε objet au repos = m 0 (17) ε finale = ε objet en mouvement = m 0 (18) 1 v2 ε(v) = m 0 = m (19) 1 v2 Nous rappelons que la masse m = m(v) de l objet en mouvement est définie par l éq.(6). Résumé: Dans la physique relativiste l énergie de l objet en mouvement est donnée par la formule (19). En plus, dans la physique relativiste, on associe m 0 (20) avec l énergie de l objet au repos. Cette énergie est associée, en effet, avec la masse au repos m 0 de l objet. En retournant maintenant vers la quadri-impulsion p µ, éq.(3), et vers sa composante temporelle l éq.(8), on trouve que: et que cp µ = cp 0 = m = ε(v) (21) mc2 c p = ε c p (22) la composante temporelle de la quadri-impulsion p µ représente l énergie relativiste de l objet. 4

En particulier, de cette forme est la quadri-impulsion des particules élémentaires, comme l électron, le proton, etc.. Plus bas nous allons donner une liste courte de particules élémentaires et de leurs masses au repos. Observons pour l instant que, pour la quadri-impulsion d un objet matériel avec masse au repos m 0, on a des relations suivantes: (p) 2 p µ p µ = ε 2 p 2 = m 2 c 4 m 2 v 2 = m 2 c 4 (1 v2 ) = m2 0 (1 v2 ) c4 (1 v2 ) = m2 0c 4 (23) (p) 2 = m 2 0c 4 (24) Les définitions des produits scalaires et de la norme des quadri-vecteurs ont été données dans les cours 3,4. Ces définitions sont appliquées ci-dessus à la quadri-impulsion, qui est un quadri-vecteur. En accord avec les cours 3,4, la norme de cp µ, (p) 2, est invariante. En plus, nous trouvons que cet invariant s exprime par la masse au repos de l objet. D après le calcul dans (23), l énergie au carré et l impulsion au carré sont liées entre elles par l équation: ε 2 p 2 = m 2 0c 4 (25) Soit ε 2 = m 2 0c 4 + p 2 (26) ε = m 2 0c 4 + p 2 (27) Observons que la limite non-relativiste correspond à p 2 m 2 0c 4 (28) En effet, dans cette limite v 2 (29) p = m0 1 v2 v m 0 v (30) 5

( p) 2 m 2 0v 2 (31) ( p) 2 m 2 0v 2 (32) Alors l inegalité (28) s écrit comme: qui correspond bien à v 2, comme il était prevu. m 2 0v 2 m 2 0c 4 (33) Alors, dans la limite non-relativiste, l énergie dans l éq.(27) peut être développée comme suit: ε = m 0 1 + p2 m 2 0c m 0 (1 + p2 2 2m 2 0c +...) 2 Nous trouvons que l énergie cinétique non-relativiste: = m 0 + p2 2m 0 +... (34) p 2 2m 0 (35) apparait dans la limite v 2 comme la première correction à l énergie de répos, correction due à l impulsion de la particule. Dans la limite inverse p 2 m 2 0c 4 (36) qui est appelée la limite ultra-relativiste, on trouve: ε = m 2 0c 4 + p 2 c p (37) Dans cette limite, l énergie ε d une particule est beaucoup plus grande que m 0. Pour une particule sans masse, m 0 trouvera, à partir de l éq.(27) : pour tout p. = 0, comme pour le photon par exemple, on ε( p) = c p (38) On peut dire que le photon se trouve toujours dans la limite ultrarelativiste. La limite non-relativiste n existe pas pour des particules sans masse, donc pour les photons. 6

15. Petite excursion dans le monde des particules élémentaires. Une liste courte de particules. Particule Symbole Masse(MeV) Demi-vie(sec.) Canaux principaux Electron e 0.511 Muon µ 105.7 2.2 10 6 µ e + ν e + ν µ Neutrinos ν e, ν µ 0 Pion chargé π +, π 139.6 2.6 10 8 π µ + ν µ Pion neutre π 0 135 0.87 10 16 π 0 γγ((2 photons) Proton p 938.3 Neutron n 939.6 898 n p + e + ν e Remarques. 1) Le neutron, n, avec une demi-vie de 898 s. en liberté, est stable à l intérieur du noyau, dans des atomes. 2) Les neutrinos, ν e (électronique), ν µ (muonique) ont été considérés, pendant une longue période, comme étant sans masse, m 0 = 0. Leurs masses non-nulles très faibles (< 0.23 ev) ont été établies (avec certitude) assez récemment. 3) Dans la physique des particules, les masses sont données, d habitude, dans les unités d énergie : au lieu de m 0 on donne m 0, l énergie qui est liée avec la masse au repos. Les unités d énergie, convenables pour des particules, sont: ev, KeV, MeV, GeV, 7

TeV. 1KeV = 10 3 ev 1MeV = 10 6 ev 1GeV = 10 9 ev 1T ev = 10 12 ev 1eV = 1.602 10 19 j kg m2 (j = 1 ) (39) se Masse de l électron en kg: m e = 0.511Mev = 0.511 1.602 10 13 j c 3 10 8 m/sec (40) m e = 0.511 1.602 10 13 j 9 10 16 m 2 /se 0.91 10 30 kg (41) 4) La liste des particules ci-dessus est en effet très courte. La liste complète d aujourd hui contient des centaines de particules, toutes instables, sauf une toute petite fraction voir la liste courte, plus le photon. 5) Pour chaque particule il existe une anti-particule, de masse identique et avec tous les nombres quantiques de signe opposé; en particulier, de charge électrique opposée, pour des particules chargées. La première anti-particule découverte a été le positron, ou anti-électron: ē = e + (42) Le positron avait été prédit par la théorie relativiste de P.M.A. Dirac pour l électron (1930). Une deuxième solution de l équation de Dirac avait donné le positron. Cette particule a été découverte 2 ans plus tard dans des rayons cosmiques (D.C.Anderson, 1932). Actuellement des antiparticules sont produites en abondance, en particulier dans des expériences sur des accélérateurs. 6) Toutes les particules peuvent être divisées en deux groupes: les fermions et les bosons. 8

Les fermions sont de particules avec un spin s = 1/2, et, plus généralement, de spin demi-entier. Dans la liste courte, les fermions sont e, µ, ν e, ν µ, p, n. Ces particules obeissent à la statistique de Fermi-Dirac (voir le cours de la Physique Statistique en Maitrise). Les bosons sont des particules avec un spin s = 0, et, plus généralement, de spin entier. Dans la liste courte, les bosons sont π +, π, π 0, plus le photon. Ces particules obeissent à la statistique de Bose-Einstein. (Cours de la Physique Statistique de Maitrise)....... Plus précisement, le monde des particules s organise, d après les connaissances d aujourd hui, de la manière suivante. Les particules qui sont vraiment élémentaires sont séparées en deux groupes. Dans le premier groupe se trouvent 6 particules: e ν e µ ν µ τ ν τ (43) plus leurs anti-particules. Les particules de ce groupe sont appelées leptons. Ils sont tous des fermions, spin s = 1/2. Le deuxième groupe est fait par les 6 quarks (plus 6 antiquarks): u d s c t b (44) La notation générale pour des quarks est q. C.a.d., on peut avoir q = u, q = d, etc.. Ils sont tous des fermions, de s = 1/2 également. 2/3(u, s, t) et 1/3(d, c, b) de la charge de l élection. Leurs charges électriques sont Les autres particules, dans la liste courte, et dans des listes longues, sont des états liés des quarks. Par examples π ±, π 0 sont faits, chaqu un, de 2 quarks (q, q ). En changeant le type de q et q on trouve toutes les particules du type π ±, π 0, plus d autres. Ces particules, composées de quark-antiquark, sont appelées mesons. 9

Des particules comme p, n dans la liste courte, plus d autres dans des listes longues, sont faites de 3 quarks: (q, q, q ). Les particules composées de ce groupe sont appelées baryons. Les quarks n existent pas librement. Ce phénomène est appelé confinement de quarks. Interactions des particules. 1) Interactions Electro-Magnétiques. La particule qui transmet ces interactions est le photon, particule sans masse. Ces interactions sont à longue portée. 2) Interactions Faibles. Les particules qui transmettent ces interactions sont W +, W, Z 0. Elles sont appelées les bosons intermediaires des interactions faibles. Ces particules sont massives. Les interactions faibles sont à courte portée ( (m W ) 1, m W m Z 0 90GeV ). Ces interactions sont responsables pour la plupart des désintégrations des particules instables, voir la liste courte, sauf π 0 γγ qui est un processus électro-magnetique. 3) Interactions Fortes. Les particules intermédiaires de ces interactions sont les gluons. Grace à ces interactions les quarks q forment des particules composées, comme π ±, π 0 (q, q ), p, n (q, q, q ), etc.. Tout comme les quarks, les gluons n existent pas librement, ce qui est un autre aspect du phénomène de confinement dans les interactions fortes. Les interactions fortes sont de courte portée. 1) La théorie des intéractions électromagnetiques des particules a été développée à la fin des années 40. Les acteurs principaux en sont R.P.Feyman, J.Schwinger, S.- I.Tomonaga. La théorie est appelée Electrodynamique Quantique. 2) La théorie des interactions électrofaibles (électro-magnétiques + faibles) a été développée dans les années 50,60, début des années 70. 3) L invention des quarks (milieu des années 60) et la construction de la theorie des interactions fortes, qui est appelée Chromodynamique Quantique (1973), sont dues aux travaux de M. Gell-Mann. 10

Le classement actuel des particules et des leurs interactions, achevés principalement vers la fin des année 70, est appelé le Modèle Standard. La particule la plus recherchée actuellement, qui est présente dans le Modèle Standand, mais qui n a toujours pas été trouvée, est le Higgs. Cette particule est responsable des masses de W ±, Z 0, - des bosons intermediaires des interactions faibles. L autre type de particules recherchées depuis longtemps sont les particules super-symétriques, qui sont présentes dans des versions de la théorie des particules plus élaborées que le Modèle Standard. La symétrie du Modèle Standard est (en gros): U(1) SU(2) SU(3) (45) Le premier facteur représente la symétrie des interactions électromagnétiques. Le deuxième correspond à la symétrie des interactions faibles. Le troisième facteur correspond à la symétrie des interactions fortes de la Chromodynamique Quantique. Dans beaucoup d aspects, le Modèle Standard est une théorie phénoménologique. Elle n est pas tout à fait satisfaisante comme LA THEORIE des particules élémentaires. Les principes, sur lesquels le Modèle Standard est basé, sont multiples. Ces principes eux mêmes posent beaucoup de questions. Le Modèle apparait comme un collage de deux théorie différentes, des interactions électro-faibles (U(1) SU(2)) et des interaction fortes (SU(3), Chromodynamique Quantique). Des progrés théoriques dans ce domaine sont hautement souhaitables par la communauté des physiciens. 11