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Physique des Particules et Physique Nucléaire
PHYS-F305 Année 2018-2019
Première partie - L. Favart
VIII - Interactions fondamentales
1
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Contenu Chapitre VIII
2
VIII. Interactions fondamentales 1. Théorie quantique des perturbations 1.a Propagateurs bosoniques 2. Principes des diagrammes de Feynman 3. Electrodynamique quantique (QED) 4. Chromodynamique quantique (QCD) 4.a Le confinement des quarks 4.b La structure du proton 5. Interactions faibles 6. Chiralité, hélicité et parité 7. Oscillations des K0 et anti-K0
8. Symétrie CP et CPT
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Principe des diagrammes de Feynman
4
Exemples :
électron se déplaçant dans le sens du temps
e remontant le temps = positon dans le sens du temps photon gluon
Z° ou W±
t
e
e
γ
g
γ( ou )
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3. Electrodynamique quantique (QED)
• La particule qui émet ou absorbe le photon peut être n’importe quelle particule chargée (ou antiparticule) : lepton chargé ou quark.
u
γ
u µ
γ
µe
γ
e
5
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• A l’ordre supérieur dans l’approche perturbative : diagrammes à 4 vertex
6
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 7
charges des quarks
résonnances
2
2
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
4. Chromodynamique Quantique (QCD)
8
q
g
qmg = 0
g
g g g
g
g
g
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Chromodynamique Quantique (QCD)
9
R B, R V, B V, B R, V R, V B, - gluons: 8 états de bi-couleur :
- couplage : αsConfinement
liberté asymptotique
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 10
αs <<< 1
αs > 1
4.a Confinement des quarks
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 11
Confinement des quarks
I.f.I.F.
D-
D+
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 12
Confinement des quarks : jets
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 13
jets
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 14
Désintégration forte
jamais de changement de
saveur
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4.b Structure du proton
Quarks de valence Quarks de la mer
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 16
Structure du proton : HERA (1992-2007)H1 and ZEUS
xBj = 0.00005, i=21xBj = 0.00008, i=20
xBj = 0.00013, i=19xBj = 0.00020, i=18
xBj = 0.00032, i=17xBj = 0.0005, i=16
xBj = 0.0008, i=15xBj = 0.0013, i=14
xBj = 0.0020, i=13xBj = 0.0032, i=12
xBj = 0.005, i=11xBj = 0.008, i=10
xBj = 0.013, i=9xBj = 0.02, i=8
xBj = 0.032, i=7xBj = 0.05, i=6
xBj = 0.08, i=5
xBj = 0.13, i=4xBj = 0.18, i=3
xBj = 0.25, i=2
xBj = 0.40, i=1
xBj = 0.65, i=0
Q2/ GeV2
σr,
NC
x 2
i
HERA NC e+p 0.5 fb–1HERA NC e p 0.4 fb–1–
√s = 318 GeVFixed Target
HERAPDF2.0 e+p NNLOHERAPDF2.0 e p NNLO–
10-3
10-2
10-1
1
10
10 2
10 3
10 4
10 5
10 6
10 7
1 10 10 2 10 3 10 4 10 5
mesure des Fonctions de structure du proton
➝ densité de quarks et gluons
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
5. Interactions faibles
17
- courant neutre :ν µ
dd
νµ
Ζ°
u
u
ν µνµ
ee
Ζ°
e+ ⌫µ ! e+ ⌫µ p+ ⌫µ ! p+ ⌫µ
µ
ee
Ζ° µ
e+ + e� ! µ+ + µ�
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 18
- courant chargé : chez les leptons
νµµ
W±
eνe
µ� ! ⌫µ + e� + ⌫̄e
νµµ
W±
eνe
µ� + ⌫e ! ⌫µ + e�
conservation nombres leptoniques ➝ pas de changement de famille
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 19
- courant chargé : chez les quarks
ud
W±
µνµ
µ
νµ
W±
u
d
d+ ⌫µ ! u+ µ� ⇡� ! µ� + ⌫̄µ
ud
W±
eνe
u
d
n p
n ! p+ e� + ⌫̄e
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 20
- courant chargé : aussi transition entre les familles
n ! p+ e� + ⌫̄e ⇤0 ! p+ ⇡�
changement de génération: s➝u
K+ ! ⇡+⇡+⇡�
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Matrice de Kobayashi-Maskawa
21
transition entre les familles
u c t, et ,
d s b! " ! " ! "# $ # $ # $% & % & % &
u c t, et ,
d' s' b'! " ! " ! "# $ # $ # $% & % & % &
états propres de masse
états propres de l’interaction faible
gij = |Vij | gWcouplage
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
- le quark t est extraordinairement lourd, mt ~174 GeV/c ~40 x mb .
- le temps de vie du quark t est extrêment court ce qui l’empêche de former des états liés; apparemment, il n’y a ni mésons top ni baryons top.
Découverte du quark t (1995)
RAPPEL
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
- le quark t est extraordinairement lourd, mt ~174 GeV/c ~40 x mb .
- le temps de vie du quark t est extrêment court ce qui l’empêche de former des états liés; apparemment, il n’y a ni mésons top ni baryons top.
Découverte du quark t (1995)
RAPPEL
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Couplages entre bosons
24
- comme dans QCD, une série de couplage à 3 ou 4 bosons sont permis
W W
γ
ZW
Wγ
W
W
γ
γ
W W
Z
W
W
W
W W
W Z
Z
- pas de couplage du photon au Z (pas de charge), ni photon-photon, ni Z-Z
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Unification des interactions
25
?
QED QCD
écrantage anti-écrantage
Grande unification
LHC
faible
électro-faible
forte
énergie [GeV]
coup
lage
102 104 1014100
1non-pert.
électromagn.10-2
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
6. Particules gauches et droites (chiralité)
26
Expérience de Wu (1957)
- e- émis uniquement dans la direction opposé au spin du Co ➝ l’image dans une miroir (inversion de Parité) ne se produit pas
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
La désintégration du pion
27
⇡+ ! µ+⌫µ ⇡+ ! e+⌫edominant très largement défavorisé
- si le muon + (anti=fermion) était de masse nulle, son hélicité devrait être +1, on ne retrouverait donc pas le spin 0 du pion
- la masse de l’électron étant 200 fois plus petite, ce mode de désintégration est défavorisé
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
7. Les kaons neutres en question
28
( ) ( )00 2 2
00
K 498MeV/c =ds S= 1 K 498MeV/c =sd S= 1
ds sd K K
+ −
≠ → ≠
( )
( )
00 01
00 02
1 CP 1K K K21 CP 1K K K2
= − = +
= + = −
Ils sont différents mais se désintègrent de façon identique ➝ ce que l’on voit est un mélange des deux
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
8. Symétrie CP (I.f.)
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
Symétries discrètes P, CP et CPT
30
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PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII
• Théorie quantique des champs (QFT) – PHYS-F410, PHYS-F440
• Interactions fondamentales et particules- PHYS-F416
• Modèle Standard – PHYS-F422
• Physique auprès des collisionneurs (QCD) - PHYS-F477
• Aspects instrumentaux – PHYS-F420
• Aspects cosmologiques
• Cosmologie – PHYS-F415
• Théorie de la gravitation – PHYS-F432
• Astroparticules – PHYS-F467
Pour aller plus loin (MA1/2)
31
Module thématique: Interactions fondamentales