Introduction à la Physique des particules

(1)

Introduction à la Physique des particules

• Particules ‘‘élémentaires’’ : De Démocrite à la fin du 19

^ième

siècle.

La lente évolution d’une grande idée…

• Physique des particules : l’épopée d’une invisible vérité

• Les particules de Matière

• Les (particules de) Forces

• Questions ouvertes…

(2)

Grec :

Leucippe et son élève Démocrite Notion d’atome ‘‘indivisible’’

Atomisme :

Courant philosophique et Théorie physique proposant une conception d'un univers discontinu, composé de matière et de vide

Genèse du

concept

(3)

Grec :

Atomisme :

Genèse du concept

Un autre grec…

Aristote :

Matière constituée de quatre éléments

 Atomisme abandonnée

Oui mais…

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

4

(4)

Grec :

Atomisme :

De l’alchimie à la Chimie Genèse du

concept

Aristote :

Oui mais…

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

4

(5)

Grec :

Atomisme :

De l’alchimie à la Chimie Genèse du

concept

Aristote :

Oui mais…

Dalton :

Chaque corps pur doit être formé d’atomes identiques : sphère simple et indivisible

Atome, Particule élémentaire:

Le retour !

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

4 > 40

(6)

J.J. Thomson Découverte de l’e

^-

 Atome composé d’électrons chargés – dans un ‘‘pudding’’ de charge +

 L’atome n’est plus une particule élémentaire ! Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2? (électron + pudding positif)

(7)

J.J. Thomson Découverte de l’e

^-

Expérience de Rutherford

 Atome composé d’électrons chargés – dans un pudding de charge +

 L’atome n’est plus une particule élémentaire ! Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2? (électron + pudding positif) 2 (électron + noyau)

(8)

(9)

J.J. Thomson Découverte de l’e

^-

Expérience de Rutherford

 Atome composé d’électrons chargés – dans un pudding de charge +

 L’atome n’est plus une particule élémentaire !

 Atome = électron + noyau + 99,99% de vide

 Modèle Planétaire

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2? (électron + pudding positif) 2 (électron + noyau)

(10)

J.J. Thomson Découverte de l’e

^-

Expérience de Rutherford

Niels Bohr

Modèle de l’atome Quantique

 Atome composé d’électrons chargés – dans un pudding de charge +

 L’atome n’est plus une particule élémentaire !

 Atome = électron + noyau + 99,99% de vide

 Modèle Planétaire

Dans le modèle de Rutherford, les électrons perdent de l’énergie en tournant autour du noyau (et finissent par tomber dans le noyau… (Oups…))

Pour Bohr : les niveaux d’énergies des orbites des électrons sont quantifiés !

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2? (électron + pudding positif) 2 (électron + noyau) 2 (e

^-

+ noyau)

(11)

Les premières expériences de radioactivité utilisaient des électroscopes

- Quand l’électroscope est chargé, les feuilles(A) s’écartent - Normalement, aucune raison qu’elles se rapprochent si le

système est bien isolé…

- Mais on observe systématiquement une décharge spontanée des électroscopes

??? pourquoi ! ???

Découverte des rayons cosmiques

(12)

Les premières expériences de radioactivité utilisaient des électroscopes

1901 Rutherford montre que la décharge

est dû à la radioactivité naturelle

1901 Rutherford montre que la décharge

est dû à la radioactivité naturelle

 L’ionisation du gaz à l’intérieur décharge

l’électroscope et les feuilles se rapprochent l’une de l’autre

 La vitesse de rapprochement des feuilles mesure la quantité d’ionisation

(13)

Étienne Parizot

300 mètres : flux/15 1910 Le père Théodore Wulf

(jésuite, physicien amateur) Réalise des expériences en haut .

de la tour Eiffel

6 ions/cm

³

6 ions/cm

³

(14)

Étienne Parizot

300 mètres : flux/15

3.5 ions/cm ³ 3.5 ions/cm ³

6 ions/cm

³

6 ions/cm

³

1910 Le père Théodore Wulf (jésuite, physicien amateur)

Réalise des expériences en haut de la tour Eiffel

(15)

1912 et 1913 : Hess and Kolhörster mesurent lors de vols en ballon le taux d’ionisation de l’atmosphère en fonction de l’altitude

Jusqu’à 10 000 m (sans Oxygène !)

Le taux d’ionisation moyen augmente avec l’altitude !

0 km 2 km 4 km 6 km 8 km 10 km

0 20 40 60 80

Intensité du rayonnement Synthèse des mesures

de Hess et de Kolhörster (1912 - 1914)

0 km 2 km 4 km 6 km 8 km 10 km

0 20 40 60 80

Intensité du rayonnement Synthèse des mesures

de Hess et de Kolhörster (1912 - 1914)

Synthèse des mesures de Hess et de Kolhörster

(1912 – 1914) Synthèse des mesures de Hess et de Kolhörster

(1912 – 1914)

Victor Franz

Hess Werner

Kolhörster

(16)

Le taux d’ionisation moyen augmente avec l’altitude

- La source d’ionisation doit être au delà de l’atmosphère terrestre!

Mais quelle source ????

Prix Nobel en 1936

Victor Franz

Hess Werner

Kolhörster

1912 et 1913 : Hess and Kolhörster mesurent lors de vols en ballon le taux d’ionisation de l’atmosphère en fonction de l’altitude

Jusqu’à 10 000 m (sans Oxygène !)

(17)

Rutherford prouve que le noyau de l'atome d'hydrogène est présent dans les autres noyaux.

Il appel cette particule Proton

Proton neutre singulier du mot grec

« premier », πρῶτον

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

(18)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ? 1917 – 1926

Découverte du Photon γ.

A. Einstein, A. Compton and Co…

(19)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ?

Découverte de la désintégration β.

1917 – 1926

(20)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ?

1917 – 1926

Découverte du Neutron Découverte du Neutron

4 (e

^–

, Proton, neutron, γ) + ?

(21)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ?

1917 – 1926

4 (e

^–

, Proton, neutron, γ) + ?

Problème lors de l’observation de la désintégration β : µ  e^– ) Problème lors de l’observation de la désintégration β : µ  e^– )

(22)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ?

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ?

Pauli suggère l’existence d'une nouvelle particule invisible, afin d'interpréter la non conservation de l’impulsion dans la

désintégration β.

Edoardo Amaldi propose le nom de neutrino (petit neutron en Italien)

5 1917 – 1926

4 (e

^–

, Proton, neutron, γ) + ?

(23)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

2 (électron, Proton) + ? 5

Découverte des

rayons cosmiques découverte du Muon (µ) par

Carl David Anderson et son assistant Seth Neddermeyer, Alors qu'ils travaillaient sur les rayons cosmiques

découverte du Muon (µ) par Carl David Anderson et son assistant Seth Neddermeyer, Alors qu'ils travaillaient sur les rayons cosmiques

3 (e

^–

, Proton, Photon) + ?

1917 – 1926

4 (e

^–

, Proton, neutron, γ) + ?

(24)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

Trop !

Découverte d’une centaine de nouvelles

particules : Mésons

Baryons

}

Les Hadrons

(25)

Murray Gell-Mann propose de classer ces nouvelles particules par symétrie 3 (SU(3)). Ainsi né la notion de Quark (simple astuce mathématique !)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

Trop !

Baryons

6 (e

^–

, µ, 3 quarks, γ )

Les Hadrons

}

7 (e

^–

, µ, 4 quarks, γ )

(26)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

Trop !

Baryons

6 (e

^–

, µ, 3 quarks, γ ) 1964

Mise en évidence des quarks u, d et s

on suggéré l’existence du quarks c

Les Hadrons

}

7 (e

^–

, µ, 4 quarks, γ )

(27)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

Trop !

Baryons

6 (e

^–

, µ, 3 quarks, γ )

Découverte du quarks c. contenu dans la particule J/ψ

1964

Les Hadrons

}

7 (e

^–

, µ, 4 quarks, γ )

(28)

Nombre de ‘‘particules’’

élémentaires ‘’connues’’

Trop !

Baryons

6 (e

^–

, µ, 3 quarks, γ )

Découverte du quarks c. contenu dans la particule J/ψ

1964

Les Hadrons

}

7 (e

^–

, µ, 4 quarks, γ )

… Bon ok ! On en est où aujourd’hui !

… …

(29)

Première famille 

Deuxième famille 

Troisième famille 

(30)

e

^–

u d

X 10 ⁸⁰ =

(31)

e

^–

u d

X 10 ⁸⁰ =

Yes! George !

What else ?

(32)

Et les forces dans tout ça ?

(33)

4 forces élémentaires !

- Force électromagnétique γ Photon. Charge 0, masse = 0 Particules associées

- Force Faible W

⁺

, W

^-

et Z

⁰

masse ≠ 0

- Force Forte g gluons (x8). Charge 0, masse = 0

- Gravitation (G) graviton. Charge 0?, masse ≠ 0

(34)

4 forces élémentaires !

- Force électromagnétique γ Photon. Charge 0, masse = 0 Particules associées

- Force Faible W

⁺

, W

^-

et Z

⁰

masse ≠ 0

- Force Forte g gluons (x8). Charge 0, masse = 0 - Gravitation (G) graviton. Charge 0?, masse ≠ 0

Bosons

- Le bosons de Higgs H graviton. Charge = 0, masse ≠ 0

(35)

**Le MMORPIG* de notre Univers !**

**(*Massively Multi Object Physical Interaction Game)**

+ antiparticules Matière

Fermions

Forces

Bosons

(36)

Heuuu… vous êtes sûr

que tout est là cette fois ???

(37)

En fait, c’est presque….

RIEN !

(38)

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Unification des interactions

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