La physique des particules

1. La physique des particules

2. … alors les électrons et les quarks seraient + petits que le diamètre d'un cheveu et l'atome aurait un diamètre supérieur à la longueur de 30 terrains de football (~3 km) ! … … Le saviez-vous ? … si les protons et les neutrons avaient un diamètre 1 cm …

3. 12 ! Le saviez-vous ? … Combien de particules “de matière” élémentaires existe-t-il ?

4. La chambre à brouillard !! WILSON - 1911 Vapeurs d’alcool en ‘sursaturation’ : une particule chargée ionise le gaz  condensation et formation de gouttelettes blanches le long de la trajectoire des particules. Radioactivité naturelle et rayons cosmiques ! g e,µ alpha (noyau d’He) Le saviez-vous ? … Le premier détecteur de particules : quand et quoi ? Et qu’est ce qu’on voit dedans alors ?

5. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 1) Les blocs élémentaires 6 quarks 6 leptons 4 ‘bosons’ vecteur de force ? ? ? Masses (ordres de grandeur) : e 10-31 kg t~ 4000 x e u ~ 4x e t ~ 4 105 x e Les 4 forces de la nature

6. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions fraction en charge de l’électron e u Quarks Un proton : charge=+1 u u ct +2/3 -1/3 d dsb d Un neutron: charge=0 u d Les antiquarks q : tout pareil, mais avec une charge opposée ! Des pions : p+ (u, d) p- (u, d) p0 (u, u) ou (d, d) Des mésons D : D+ (c, d) D0 (c, u) ou (c, u) D- (c, d) Des baryons L : L+ (u,d,c) L- (u,d,c) 2) Les autres particules : jouons avec les quarks ! D’autres particules : On appelle : “méson” : une paire de quark-antiquark “baryon” : 3 quarks On a formé des HADRONS (=lourd ≠ leptons=léger)

7. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions 2) Les autres particules : jouons avec les quarks ! Baryons : 3 quarks ou 3 antiquarks 6 quarks hadrons Mésons : une paire de quark/antiquarks Mésons Baryons

8. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions La gravité : On connait … … Mais on a juste jamais observé son messager le graviton. L’electromagnétisme : On connait aussi pas trop mal … Ex: la lumière est une onde EM ! 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! Force=Interaction=Échange Mais les autres … Sont un peu moins évidentes …

9. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions u d u u d d 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! La force faible :  exemple : radioactivité b e- Électron appelé “électron bêta” Particule messagère de l’interaction ne W- Transformation du neutron en proton p n temps Interaction Suivant le type d’interaction, la particule messagère peut être W+, W-,ou Z0. Tous les leptons e, µ, t sont émis avec leur anti-neutrino correspondant ne, nµ, nt

10. Le ‘Modèle Standard’ ou comment classifier les particules existantes, ainsi que leurs interactions u u Les quarks sont retenus entre eux dans les hadrons par des élastiques appelés gluons : c’est la force forte u u u d d g g d u g c u D0 g p p c g g s u L+ Ds+ d d 2) Les autres particules : jouons avec les interactions ! La force forte :  phénomènes complexes de production de hadrons Effets d’une collision proton-proton : multiplication des élastiques …

11. Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? Théoriciens : Élaborent des théories diverses prédisant certains phénomènes … to be continued Expérimentateurs : réalisent des expériences pour observer ces phénomènes, et valider ou invalider les modèles théoriques La place des physiciens-chercheurs

12. Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? ? ? ? ? ? ? Comment observer des particules lourdes, à très faible durée de vie Les particules de matière ordinaire : neutron, proton, et électron. Pour créer le reste (hadrons et leptons + lourds), il faut fournir des hautes énergies. De plus, les particules lourdes ne sont pas stables et se désintègrent en particules légères. Le Modèle Standard est une théorie, qui a prédit l’existences de particules grâce à différentes symétries … Le but a ensuite été d’observer ces particules !

13. Bon et alors, qu’est ce qu’on cherche dans l’histoire ? u u u u d d Un “événement” : interaction dans un détecteur des particules ‘standards’ issues de la désintégration de la particule lourde Reconstruction de la masse et des propriétés physique de la particule lourde produite à partir des particules ‘standard’ reconstruites p p ? ? ? ? ? ? Comment observer des particules lourdes, à très faible durée de vie • Collisions de particules “standards” (électrons ou protons) à de très hautes énergies • Formation de particules lourdes • Désintégration de ces particules lourdes en particules “standards” ou + légères (p,µ) Jusqu’à maintenant : l’accélérateur LEP (Large Electron-Positron) au CERN + d’autres accélérateurs-collisionneurs aux Etats-Unis  Observation et découverte de toutes les particules du modèle standard.

14. Le boson de Higgs : le grâle actuel de la physique H Le chaînon manquant du Modèle Standard Imaginé entre autre par Peter Higgs dans les années 60 • Permet de relier les forces électromagnétique et faible • Donne une masse à toutes les particules, mais permet aussi d’expliquer la masse nulle des photons !! • Mais : • il n’y a aucune prédiction théorique sur sa masse – on ne possède qu’une limite inférieure expérimentale. • Enormément de “bruits de fond” venant d’autres processus physique dans les mesures, la tâche est ardue !! Une véritable quête :  Enormément d’efforts sont mis en oeuvre dans les laboratoires du monde entier, pour un jour pouvoir observer le Higgs au CERN.

15. Les expériences du CERN • Challenges : • Précisions sur les masses et sur plusieurs propriétés physiques des particules du modèle standard. • Découverte du Higgs • Recherche de “nouvelle physique” : SuperSymétrie, extra-dimensions, … • Recherche de nouvelles particules comme candidat à la ‘matière noire’ GENEVE p p Le LHC : Large Hadron Collider

16. Les expériences du CERN Comment c’est fait un détecteur de particules ? De façon standard, pour les ‘collisionneurs’ comme au CERN … p p Boom : l’interaction But : reconstruire et reconnaitre les particules issues de l’interaction, pour connaitre la particule produite par le choc p-p. Des gros progrès depuis la chambre à brouillard !  On reconstruit les interactions des particules et l’énergie avec de plus en plus de précision  découverte de particules de + en + complexes !

17. Les expériences du CERN Petit exercice : Qui est quoi ? Aide : on cherche un muon µ, un électron e, un photon g, un neutron n, un proton p

18. Le but ultime de la physique des particules Sait-on jamais ce qu’on peut trouver là où on ne pensait pas à chercher … Unifier les 4 forces  théorie des “Cordes” (Un peu compliqué) Et …

19. Si vous êtes toujours vivants … BRAVO ! Hésitez pas : magali.besnier@lapp.in2p3.fr