| Titre : | Introduction à la physique des particules |
| Auteurs : | Marleau Luc, Auteur |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Paris : Ellipses, 2022 |
| ISBN/ISSN/EAN : | 978-2-340-06623-6 |
| Format : | 1 vol. (480 p.) / 24 cm |
| Langues: | Français |
| Langues originales: | Français |
| Index. décimale : | 53972 |
| Résumé : |
Cet ouvrage offre une introduction contemporaine à la physique des particules élémentaires dans un langage simple et pédagogique. Bien que conçu pour le niveau du 1er cycle universitaire, l’ajout de certains éléments de formalisme en fait également une base solide pour les étudiants du Master et du Doctorat. Après un rappel de quelques notions fondamentales, l’ouvrage s’attaque à une description des méthodes expérimentales et des calculs théoriques se rapportant aux processus subatomiques. Le texte est appuyé par de nombreux éléments pédagogiques. |
| Sommaire : |
1 Introduction........................................................................................ 1 1.1 Système d’unités naturelles et de Lorentz-Heaviside................ 2 1.1.1 Unités naturelles ........................................................................ 2 1.1.2 Unités de Lorentz-Heaviside...................................................... 5 1.2 Relativité et formalisme quadri-dimensionnel............................ 6 1.2.1 Transformations de Lorentz ....................................................... 9 1.3 Notions de physique quantique ............................................... 10 1.3.1 Bosons et fermions .................................................................. 10 1.3.2 Mécanique quantique relativiste ...............................................11 1.3.3 Théorie quantique des champs ............................................... 16 1.4 Forces et interactions .............................................................. 19 1.4.1 Approche de Yukawa et portée des interactions ..................... 20 1.5 Quelques événements historiques .......................................... 21 1.6 Problèmes................................................................................ 23 2 Survol rapide du modèle standard................................................ 25 2.1. Le modèle standard : modèle ou théorie ? .............................. 25 2.2 La matière................................................................................ 26 2.2.1 Leptons..................................................................................... 27 2.2.2 Quarks...................................................................................... 28 Table des matières 2.2.2 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.3 Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.4 Particules et antiparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Les quatre interactions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Particules médiatrices d’interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Interactions électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.3 Interactions fortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.4 Interactions faibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.5 Interactions gravitationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4 Sommaire : Le modèle standard et plus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.5 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Sources et détecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.1 Radioactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.2 Rayons cosmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.3 Physique de l’accélérateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.4 Accélérateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Détecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.1 Physique du détecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2 Instruments de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4 Diffusion et désintégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1 Cinématique d’une réaction – Variables de Mandelstam . . . . . . . . 75 4.1.1 Repère du centre de masse (4 corps) . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.2 Repère de la cible fixe (4 corps) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.3 Énergie de seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1.4 Rapidité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2 Les interactions en mécanique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3 Matrice de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4 Espace des phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5 Section efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.5.1 Diffusion (4 corps) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.6 Largeur de désintégration et vie moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6.1 Désintégration en 2 corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.6.2 Désintégration en 3 corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.7 Calcul des éléments de matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.7.1 Modèle théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.7.2 Règles et diagrammes de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.8 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.2.3 Hadrons.................................................................................... 29 2.2.4 Particules et antiparticules....................................................... 30 2.3 Les quatre interactions fondamentales.................................... 31 2.3.1 Particules médiatrices d’interactions ........................................31 2.3.2 Interactions électromagnétiques.............................................. 32 2.3.3 Interactions fortes .................................................................... 34 2.3.4 Interactions faibles................................................................... 35 2.3.5 Interactions gravitationnelles ................................................... 37 2.4. Sommaire : Le modèle standard et plus .................................. 39 2.5 Problèmes................................................................................ 41 3 Sources et détecteurs..................................................................... 43 3.1 Sources.................................................................................... 43 3.1.1 Radioactivité ............................................................................ 44 3.1.2 Rayons cosmiques................................................................... 44 3.1.3 Physique de l’accélérateur....................................................... 44 3.1.4 Accélérateurs ........................................................................... 45 3.2 Détecteurs ............................................................................... 56 3.2.1 Physique du détecteur ............................................................. 57 3.2.2 Instruments de détection ......................................................... 61 3.3 Problèmes................................................................................ 73 4 Diffusion et désintégration............................................................. 75 4.1 Cinématique d’une réaction – Variables de Mandelstam ........ 75 4.1.1. Repère du centre de masse (4 corps)...................................... 80 4.1.2. Repère de la cible fixe (4 corps)................................................81 4.1.3 Énergie de seuil ....................................................................... 83 4.1.4 Rapidité .................................................................................... 84 4.2 Les interactions en mécanique quantique............................... 86 4.3 Matrice de diffusion ................................................................. 89 4.4 Espace des phases ................................................................. 91 4.5. Section efficace ....................................................................... 93 4.5.1. Diffusion (4 corps) .................................................................... 95 4.6 Largeur de désintégration et vie moyenne .............................. 97 4.6.1 Désintégration en 2 corps...................................................... 100 4.6.2 Désintégration en 3 corps...................................................... 100 4.7 Calcul des éléments de matrice ............................................ 104 4.7.1 Modèle théorique ................................................................... 104 4.7.2 Règles et diagrammes de Feynman...................................... 105 4.8 Problèmes.............................................................................. 109 Table des matières 5 Symétries et espace-temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1 Symétries en mécanique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.2 Invariance sous translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.3 Rotation en trois dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.4 Parité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.4.1 Parité orbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.4.2 Parité intrinsèque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.4.3 Conservation de la parité totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4.4 Parité des antiparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.4.5 Quelques exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.5 Renversement du temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.5.1 Opérateur de renversement du temps . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6 Invariance de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.6.1 Transformation de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.6.2 Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5.7 Exemple récapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.8 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6 Symétries internes et hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.1 Symétries globales et règles de sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.1.1 Charge électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.1.2 Nombre leptonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.1.3 Nombres électronique, muonique, tauonique . . . . . . . . . . . 146 6.1.4 Nombre baryonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.2 Isospin et hypercharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.2.1 Symétrie SU(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.2.2 Générateurs de SU(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.2.3 Relation de Gell-Mann-Nishijima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.2.4 Conservation d’isospin dans les interactions fortes . . . . . . . 153 6.3 Étrangeté et autres saveurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.3.1 Étrangeté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.3.2 Charme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.3.3 Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.3.4 Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.3.5 Relation de Gell-Mann-Nishijima généralisée . . . . . . . . . . . 159 6.4 Conjugaison de la charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.4.1 Parité de charge totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.4.2 Invariance sous conjugaison de charge . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.4.3 Pions et photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.4.4 Systèmes particule-antiparticule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.4.5 Violation de CP ou T et théorème CPT . . . . . . . . . . . . . . . 166 5 Symétries et espace-temps...........................................................113 5.1 Symétries en mécanique quantique .......................................114 5.2 Invariance sous translation.....................................................116 5.3 Rotation en trois dimensions ..................................................118 5.4 Parité...................................................................................... 121 5.4.1 Parité orbitale..........................................................................123 5.4.2 Parité intrinsèque....................................................................123 5.4.3 Conservation de la parité totale..............................................124 5.4.4 Parité des antiparticules .........................................................125 5.4.5. Quelques exemples ................................................................126 5.5 Renversement du temps........................................................ 128 5.5.1 Opérateur de renversement du temps....................................128 5.6 Invariance de jauge ............................................................... 132 5.6.1 Transformation de jauge ........................................................ 134 5.6.2 Photons .................................................................................. 136 5.7. Exemple récapitulatif ............................................................. 138 5.8 Problèmes...............................................................................141 6 Symétries internes et hadrons..................................................... 143 6.1 Symétries globales et règles de sélection ............................. 144 6.1.1 Charge électrique................................................................... 144 6.1.2 Nombre leptonique................................................................. 145 6.1.3 Nombres électronique, muonique, tauonique........................ 146 6.1.4 Nombre baryonique ................................................................147 6.2 Isospin et hypercharge .......................................................... 148 6.2.1 Symétrie SU(2).........................................................................151 6.2.2 Générateurs de SU(2)..............................................................151 6.2.3 Relation de Gell-Mann-Nishijima............................................152 6.2.4 Conservation d’isospin dans les interactions fortes .............. 153 6.3 Étrangeté et autres saveurs................................................... 155 6.3.1 Étrangeté................................................................................ 155 6.3.2 Charme .................................................................................. 156 6.3.3 Bottom.................................................................................... 158 6.3.4 Top ......................................................................................... 158 6.3.5 Relation de Gell-Mann-Nishijima généralisée....................... 159 6.4 Conjugaison de la charge...................................................... 160 6.4.1 Parité de charge totale............................................................161 6.4.2 Invariance sous conjugaison de charge ................................ 162 6.4.3 Pions et photons .................................................................... 163 6.4.4 Systèmes particule-antiparticule ........................................... 164 6.4.5 Violation de CP ou T et théorème CPT................................... 166 Table des matières 6.5 Parité-G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.6 Tableau récapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 6.7 Résonances hadroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.8 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7 Modèle des quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.1 Rappel historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.2 Théorie des groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.2.1 Propriétés générales d’un groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.2.2 Représentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.2.3 Groupes de Lie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.2.4 Racine, rang et poids d’un groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7.2.5 Groupe des rotations SO(N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.2.6 Groupe U(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 7.2.7 Groupes SU(N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 7.3 Quarks et représentations SU(N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.3.1 Lien entre représentation SU(N) et modèle des quarks . . . . . 197 7.3.2 Représentations irréductibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.3.3 Tableaux de Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 7.3.4 Construction des fonctions d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.4 Couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 7.4.1 Groupe SUc(3) de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 7.4.2 Fonctions d’onde de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 7.4.3 Évidences expérimentales de la couleur . . . . . . . . . . . . . . 219 7.5 Masses et moments magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.5.1 Masses des hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.5.2 Moments magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.6 Diagrammes de flot de quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.7 Quark charmé et SU(4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 7.7.1 Mésons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.7.2 Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 7.8 Quark bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 7.9 Quark top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 7.10 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 8 Interactions électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 8.1 Diffusion élastique e−Noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 8.1.1 Processus sans spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 8.1.2 Processus avec spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 8.1.3 Diffusion polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 6.5 Parité-G ................................................................................. 167 6.6 Tableau récapitulatif............................................................... 169 6.7 Résonances hadroniques...................................................... 170 6.8 Problèmes...............................................................................174 7 Modèle des quarks ........................................................................ 177 7.1 Rappel historique................................................................... 178 7.2 Théorie des groupes.............................................................. 179 7.2.1 Propriétés générales d’un groupe.......................................... 180 7.2.2 Représentations..................................................................... 182 7.2.3 Groupes de Lie....................................................................... 183 7.2.4 Racine, rang et poids d’un groupe......................................... 185 7.2.5 Groupe des rotations SO(N)....................................................187 7.2.6 Groupe U(1)............................................................................ 189 7.2.7 Groupes SU(N)....................................................................... 190 7.3 Quarks et représentations SU(N)........................................... 197 7.3.1 Lien entre représentation SU(N) et modèle des quarks..........197 7.3.2 Représentations irréductibles ................................................ 201 7.3.3. Tableaux de Young ................................................................ 202 7.3.4 Construction des fonctions d’onde ........................................ 208 7.4 Couleur .................................................................................. 215 7.4.1 Groupe SUc(3) de couleur........................................................215 7.4.2 Fonctions d’onde de couleur...................................................217 7.4.3. Évidences expérimentales de la couleur................................219 7.5 Masses et moments magnétiques......................................... 221 7.5.1 Masses des hadrons.............................................................. 221 7.5.2 Moments magnétiques........................................................... 227 7.6. Diagrammes de flot de quarks............................................... 231 7.7 Quark charmé et SU(4)........................................................... 233 7.7.1 Mésons................................................................................... 234 7.7.2 Baryons.................................................................................. 235 7.8 Quark bottom......................................................................... 236 7.9 Quark top............................................................................... 238 7.10 Problèmes.............................................................................. 240 8 Interactions électromagnétiques................................................. 245 8.1 Diffusion élastique e−Noyau.................................................. 246 8.1.1 Processus sans spin.............................................................. 246 8.1.2 Processus avec spin .............................................................. 252 8.1.3 Diffusion polarisée ................................................................. 253 8.2 Diffusion e−N ......................................................................... 254 Table des matières 8.2 Diffusion e−N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 8.3 Symétries de jauge et QED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 8.3.1 Théorème de Nœther et invariance de jauge globale . . . . . . 256 8.3.2 Invariance de jauge locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 8.3.3 Champs de jauge : les photons . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 8.4 Processus purement leptoniques en QED . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 8.4.1 Processus e+e¯ → µ + µ¯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 8.4.2 Diffusion de Bhabha : e+e¯ → e+e¯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 8.4.3 Diffusion de Compton e+γ → e+γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 8.5 Corrections radiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 8.5.1 Divergences et renormalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 8.5.2 Moments magnétiques leptoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 8.5.3 Structure hyperfine et décalage de Lamb . . . . . . . . . . . . . . 269 8.6 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 9 Interactions fortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 9.1 La chromodynamique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 9.2 Liberté asymptotique et confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 9.3 Diffusion inélastique profonde e−N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 9.4 Invariance d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.5 Modèle des partons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 9.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 9.5.2 Nature ponctuelle des partons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 9.5.3 Spin des partons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 9.6 Annihilation e+e− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 9.6.1 Événement à deux jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 9.6.2 Événement à trois jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 9.7 Diffusion ν −N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 9.7.1 Section efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 9.7.2 Invariance d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 9.8 Modèle des quarks-partons et fonctions de structure . . . . . . . . . 289 9.9 Collisions hadron-hadron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 9.9.1 Processus inclusifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 9.9.2 Processus exclusifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 9.10 Violation d’échelle et équations DGLAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 9.11 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 10 Interactions faibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 10.1.1 Classification des interactions faibles . . . . . . . . . . . . . . . . 304 8.3 Symétries de jauge et QED ................................................... 255 8.3.1 Théorème de Nœther et invariance de jauge globale ........... 256 8.3.2 Invariance de jauge locale ..................................................... 256 8.3.3. Champs de jauge : les photons ......................................... 258 8.4 Processus purement leptoniques en QED ............................ 260 8.4.1 Processus e + ē → µ + µ¯ ...................................................... 260 8.4.2. Diffusion de Bhabha : e + ē → e + ē ....................................... 262 8.4.3 Diffusion de Compton e +γ → e +γ......................................... 263 8.5 Corrections radiatives............................................................264 8.5.1 Divergences et renormalisation ............................................. 264 8.5.2 Moments magnétiques leptoniques....................................... 268 8.5.3. Structure hyperfine et décalage de Lamb ............................. 269 8.6 Problèmes.............................................................................. 269 9 Interactions fortes......................................................................... 271 9.1 La chromodynamique quantique ........................................... 272 9.2. Liberté asymptotique et confinement..................................... 275 9.3 Diffusion inélastique profonde e−N........................................ 278 9.4 Invariance d’échelle ............................................................... 279 9.5 Modèle des partons ............................................................... 280 9.5.1 Introduction ............................................................................ 280 9.5.2 Nature ponctuelle des partons............................................... 281 9.5.3 Spin des partons .................................................................... 284 9.6 Annihilation e+e− ..................................................................... 285 9.6.1. Événement à deux jets........................................................... 285 9.6.2 Événement à trois jets............................................................ 286 9.7 Diffusion ν−N ......................................................................... 287 9.7.1. Section efficace ..................................................................... 288 9.7.2 Invariance d’échelle ............................................................... 288 9.8 Modèle des quarks-partons et fonctions de structure ........... 289 9.9 Collisions hadron-hadron....................................................... 292 9.9.1 Processus inclusifs ................................................................ 292 9.9.2. Processus exclusifs ............................................................... 297 9.10 Violation d’échelle et équations DGLAP................................ 298 9.11 Problèmes..............................................................................300 10 Interactions faibles........................................................................ 303 10.1 Introduction............................................................................304 10.1.1. Classification des interactions faibles.................................... 304 10.2 Théorie de Fermi ...................................................................306 10.3 Non-conservation de la parité ...............................................308 Table des matières 10.2 Théorie de Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 10.3 Non-conservation de la parité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 10.4 Interactions V −A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 10.5 Lacunes de la théorie de Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 10.5.1 Bosons d’échange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 10.5.2 Vers une théorie cohérente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 10.6 Théorie électrofaible SUL(2)⊗UY (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 10.6.1 Charge faible des fermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 10.6.2 Modèle de Glashow-Weinberg-Salam . . . . . . . . . . . . . . . . 320 10.6.3 Mécanisme et boson de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 10.6.4 Masses des fermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 10.7 Interactions faibles des fermions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 10.7.1 Courants neutres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 10.7.2 Courants chargés et matrice CKM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 10.8 Violation CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 10.8.1 Système des kaons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 10.8.2 Implications cosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 10.9 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 10.9.1 Nombre de neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 10.9.2 Masse des neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 10.9.3 Oscillations des neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 10.9.4 Paramètres de masse et matrice de mélange . . . . . . . . 356 10.10 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 11 Au-delà du modèle standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 11.1 Vers une théorie au-delà du modèle standard . . . . . . . . . . . . . . 361 11.1.1 Constituants du modèle standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 11.1.2 Lacunes du modèle standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 11.2 Paticules exotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 11.2.1 Bosons de jauge supplémentaires W± ou Z0 . . . . . . . . . . . 365 11.2.2 Autres bosons de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 11.2.3 Axions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 11.3 Grande unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 11.3.1 Modèle SU(5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 11.3.2 Modèle SO(10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 11.3.3 Autres modèles d’unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 11.4 Technicouleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 11.5 Quarks et leptons composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 11.5.1 Modèle d’Abbott et Farhi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 11.6 Supersymétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 11.6.1 Modèles supersymétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 10.4 Interactions V−A..................................................................... 310 10.5 Lacunes de la théorie de Fermi............................................. 312 10.5.1 Bosons d’échange...................................................................314 10.5.2 Vers une théorie cohérente.....................................................315 10.6 Théorie électrofaible SUL(2) ⊗UY (1).........................................317 10.6.1 Charge faible des fermions.....................................................318 10.6.2 Modèle de Glashow-Weinberg-Salam................................... 320 10.6.3 Mécanisme et boson de Higgs .............................................. 323 10.6.4 Masses des fermions ......................................................... 330 10.7 Interactions faibles des fermions ........................................... 331 10.7.1 Courants neutres ................................................................... 332 10.7.2 Courants chargés et matrice CKM ........................................ 335 10.8 Violation CP........................................................................... 341 10.8.1 Système des kaons.................................................................341 10.8.2 Implications cosmologiques................................................... 346 10.9 Neutrinos ............................................................................... 347 10.9.1 Nombre de neutrinos ............................................................. 347 10.9.2 Masse des neutrinos .......................................................... 348 10.9.3 Oscillations des neutrinos .................................................. 354 10.9.4 Paramètres de masse et matrice de mélange ................... 356 10.10 Problèmes.............................................................................. 359 11 Au-delà du modèle standard........................................................ 361 11.1 Vers une théorie au-delà du modèle standard ...................... 361 11.1.1 Constituants du modèle standard.......................................... 362 11.1.2 Lacunes du modèle standard ................................................ 363 11.2. Paticules exotiques................................................................ 365 11.2.1 Bosons de jauge supplémentaires W' ± ou Z' 0 ...................... 365 11.2.2 Autres bosons de Higgs......................................................... 365 11.2.3. Axions .................................................................................... 365 11.3. Grande unification .................................................................366 11.3.1 Modèle SU(5).......................................................................... 370 11.3.2 Modèle SO(10) .........................................................................374 11.3.3. Autres modèles d’unification.................................................. 375 11.4 Technicouleur ........................................................................ 376 11.5 Quarks et leptons composites ............................................... 377 11.5.1 Modèle d’Abbott et Farhi........................................................ 378 11.6 Supersymétrie........................................................................ 379 11.6.1 Modèles supersymétriques.................................................... 381 11.7 Gravité quantique ..................................................................384 11.7.1 Supergravité........................................................................... 386 Table des matières 11.7 Gravité quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 11.7.1 Supergravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 11.8 Théorie des cordes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 11.8.1 Survol rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 A Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 A.1 Manuels de références complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 A.2 Ressources sur Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 A.3 Glossaire et acronymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 B Notations, unités et constantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 B.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 B.2 Unités naturelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 B.3 Unités de Lorentz-Heaviside . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 B.4 Constantes fondamentales de physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 C Relativité restreinte et Clebsch-Gordan . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 C.1 Relativité restreinte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 C.1.1 L’intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 C.1.2 Classification des événements et causalité . . . . . . . . . . . . 410 C.1.3 Formalisme quadridimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 C.1.4 Transformations de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 C.1.5 Contraction de l’espace et dilatation du temps . . . . . . . . . . 414 C.1.6 Cinématique relativiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 C.2 Coefficients de Clebsch-Gordan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 C.2.1 Tableau de coefficients de Clebsch-Gordan . . . . . . . . . . . . 418 D Théorie quantique des champs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 D.1 Formalisme lagrangien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 D.1.1 Théorème de Nœther . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 D.2 Champ scalaire (spin 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 D.2.1 Propagateur de Klein-Gordon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 D.3 Champ fermionique (spin 1/2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 D.3.1 Équation de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 D.3.2 Lagrangien fermionique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 D.3.3 Propagateur de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 D.4 Règles et diagrammes de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 D.5 Calcul des éléments de matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 D.5.1 Diffusion e+e− → µ+µ− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 D.6 Théories de Yang-Mills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 D.6.1 Champs de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 D.6.2 Terme cinétique pour Aµ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 D.6.3 Lagrangien et règles de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . 440 11.8 Théorie des cordes................................................................386 11.8.1 Survol rapide.......................................................................... 386 A Références ..................................................................................... 391 A.1 Manuels de références complémentaires.................................. 391 A.2 Ressources sur Internet ............................................................ 392 A.3 Glossaire et acronymes............................................................. 395 B Notations, unités et constantes................................................... 405 B.1 Notations.................................................................................... 405 B.2 Unités naturelles........................................................................406 B.3 Unités de Lorentz-Heaviside ..................................................... 407 B.4 Constantes fondamentales de physique ................................... 408 C Relativité restreinte et Clebsch-Gordan ..................................... 409 C.1 Relativité restreinte .................................................................... 409 C.1.1 L’intervalle ................................................................................. 409 C.1.2 Classification des événements et causalité..............................410 C.1.3 Formalisme quadridimensionnel...............................................411 C.1.4 Transformations de Lorentz ......................................................412 C.1.5 Contraction de l’espace et dilatation du temps .........................414 C.1.6 Cinématique relativiste..............................................................415 C.2 Coefficients de Clebsch-Gordan................................................416 C.2.1 Tableau de coefficients de Clebsch-Gordan ............................418 D Théorie quantique des champs ............................................... 419 D.1 Formalisme lagrangien .............................................................. 420 D.1.1 Théorème de Nœther................................................................421 D.2 Champ scalaire (spin 0) ......................................................... 421 D.2.1 Propagateur de Klein-Gordon ............................................. 423 D.3 Champ fermionique (spin 1/2) ................................................ 425 D.3.1 Équation de Dirac .................................................................. 425 D.3.2 Lagrangien fermionique ....................................................... 428 D.3.3 Propagateur de Dirac .......................................................... 430 D.4 Règles et diagrammes de Feynman ..................................... 430 D.5 Calcul des éléments de matrice .......................................... 432 D.5.1 Diffusion e+e− → µ+µ− ................................................................ 432 D.6 Théories de Yang-Mills ......................................................... 435 D.6.1 Champs de jauge ................................................................. 437 D.6.2 Terme cinétique pour Aµ ...................................................... 439 D.6.3 Lagrangien et règles de Feynman ....................................... 440 Table des matières E Particules et collisionneurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 E.1 Propriétés des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 E.1.1 Particules fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 E.1.2 Hadrons : Les mésons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 E.1.3 Hadrons : Les baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 E.2 Collisionneurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 E Particules et collisionneurs..........................................................443 E.1 Propriétés des particules ...........................................................443 E.1.1 Particules fondamentales ......................................................... 446 E.1.2 Hadrons : Les mésons.............................................................. 447 E.1.3 Hadrons : Les baryons ............................................................. 453 E.2 Collisionneurs............................................................................ 458 Index................................................. |
| Type de document : | Livres |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut |
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| PHY/842 | Livre | bibliothèque sciences exactes | Consultable |
