| Titre : | Introduction à la physique des hadrons - Symétries, structure et dynamique |
| Auteurs : | Jean-Marc Richard, Auteur |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | EDP Sciences, 2021 |
| ISBN/ISSN/EAN : | 978-2-7598-2215-7 |
| Format : | 1 vol. (314 p.) |
| Langues: | Français |
| Langues originales: | Français |
| Résumé : |
L'ouvrage présente un panorama des particules élémentaires à interactions fortes, comme le proton et le neutron, constituants du noyau, le pion qui assure leur liaison, et toutes leurs excitations. Le modèle des quarks est exposé en détail. Il propose une description unifiée de tous ces hadrons et s'étend aux particules avec étrangeté, charme ou beauté. La présentation fait une large place à l'histoire, et même à quelques anecdotes piquantes qui ont jalonné les progrès théoriques et expérimentaux. Mais les aspects les plus modernes sont également exposés, comme la chromodynamique quantique et les théories effectives, les fonctions de structure, les propriétés électromagnétiques des hadrons, et enfin leur désintégration par interaction faible. Les spéculations sur les hadrons exotiques permettent de comprendre l'enjeu de certaines expériences sur les collisionneurs actuels, notamment le LHC. La lecture ne requiert pas d'autre préalable que quelques notions de physique quantique. Ce livre s'adresse aux étudiants de M1 et M2, ainsi qu'aux physiciens et chimistes désirant s'initier au monde des hadrons, que se partagent la physique nucléaire et la physique des particules. La compréhension peut être testée par les dizaines d'exercices qui sont proposés, ainsi qu'une solution pour certains d'entre eux. |
| Sommaire : |
Table des matières Préface v Avant-propos vii 1 Histoire 1 1.1 Les premiers hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Les résonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Le moment magnétique du proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 La découverte de l’antiproton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Étrangeté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6 Le modèle des quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 La voie de l’octet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 La règle de Zweig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Le charme et la beauté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.8 Radiographie des nucléons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9 Chromodynamique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Classification 21 2.1 Quarks et leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Les bosons de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Les hadrons ordinaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Mésons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4 Hadrons exotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Les instruments et les méthodes 31 3.1 Les rayons cosmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Les accélérateurs hadroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Les machines à électrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Les collisionneurs électron-positon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Rayonnement synchrotron et Compton inverse . . . . . . . . . . . . 35 Collisions électron-proton et électron-noyau . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Cibles fixes ou collisionneurs ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5 Les détecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.6 Les outils de l’analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Retrouver ce titre sur Numilog.com Espace de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Masse invariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Désintégration en deux corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Désintégration en trois corps. Diagramme de Dalitz . . . . . . . . . 43 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 Symétries 51 4.1 Isospin des hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 Conjugaison de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 Parité isotopique ou 퐺-parité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4 Isospin des antiparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.5 La symétrie de saveur SU(3)F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.6 La symétrie SU(6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.7 Le charme et SU(4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.8 Le nombre baryonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Annexe 4.A SU(2) et SU(3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Le groupe SU(3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5 Le quarkonium 71 5.1 Le spectre expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.2 Le modèle non relativiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Rappels sur l’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.4 Conséquences de l’indépendance de saveur . . . . . . . . . . . . . 76 5.5 Ordre des niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.6 Fonction d’onde à l’origine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.7 Corrections dépendant du spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 États S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 États P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Mélange orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.8 Production et désintégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.9 Le quarkonium par les règles de somme de QCD . . . . . . . . . . 85 5.10 Quarkonium par la QCD sur réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6 Les baryons 95 6.1 Le cas de trois quarks identiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Mouvement intrinsèque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 État fondamental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Premier état excité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Retrouver ce titre sur Numilog.com Deuxième niveau d’excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.2 Les autres baryons légers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 Le [20, 1 +], enfin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.4 La résonance de Roper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5 Les baryons étranges, charmés ou beaux . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.6 Les baryons à double saveur lourde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.7 Les baryons à triple saveur lourde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.8 Le confinement de trois quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.A Formalisme hypersphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.B Méthode variationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7 Sacs 121 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.2 Le modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.4 Corrections et développements divers . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Mouvement du centre de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Hadrons très excités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Multiquarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Sacs et forces nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5 Modèle des sacs pour les quarks lourds . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8 Chromodynamique quantique 133 8.1 La QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Le lagrangien de la QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 La liberté asymptotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Le confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.2 Simulations sur réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.3 La méthode des règles de somme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.4 Théories effectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Considérations générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Développement en portée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Théorie effective en présence d’un quark lourd . . . . . . . . . . . . 141 Symétrie pour les hadrons doublement lourds . . . . . . . . . . . . 142 Symétrie entre quark lourd et diquark lourd . . . . . . . . . . . . . 142 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Retrouver ce titre sur Numilog.com 9 Hadrons exotiques 145 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.2 Revue des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Remarques préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Dibaryons et multibaryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Baryons exotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Mésons exotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Résonances très lourdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.3 Modèles “moléculaires” pour les hadrons exotiques . . . . . . . . 157 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Noyaux légers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Hypernoyaux légers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Hypernoyaux charmés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Baryonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Molécules méson-baryon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Molécules méson-méson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9.4 Les multiquarks dans les modèles de quarks constituants . . . . . 162 Liaison chromomagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Liaison chromoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Exotiques très lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.5 Cordes et dualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.6 Hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.7 Les exotiques sur réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.8 Les exotiques à partir des règles de somme . . . . . . . . . . . . . . 172 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 10 La structure du nucléon 183 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 10.2 Cinématique de la diffusion d’électrons . . . . . . . . . . . . . . . . 184 10.3 Facteurs de forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 10.4 Modèles pour les facteurs de forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.5 Autres facteurs de forme électromagnétiques . . . . . . . . . . . . 188 10.6 Autres facteurs de forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.7 Diffusion profondément inélastique et autres processus . . . . . . 189 10.8 Cinématique de la diffusion profondément inélastique . . . . . . . 190 10.9 Analyse de la diffusion profondément inélastique . . . . . . . . . . 191 10.10 Loi d’échelle de Bjorken et relation de Callan-Gross . . . . . . . . . 192 10.11 Fonctions de structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.12 Fonctions de structure généralisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.13 Dépendance en impulsion transerve . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Retrouver ce titre sur Numilog.com 11 Le spin des quarks et des hadrons 203 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 11.2 Cibles ou faisceaux polarisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 11.3 Effets de spin dans la diffusion hadron-hadron . . . . . . . . . . . 204 Diffusion élastique pion-nucléon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Annihilation en deux mésons pseudoscalaires . . . . . . . . . . . . 207 Diffusion nucléon-nucléon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Diffusion antinucléon-nucléon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Formation d’une paire hypéron -antihypéron . . . . . . . . . . . . . 210 11.4 Le rôle du spin des quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Écarts hyperfins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Fonctions de structure dépendant du spin . . . . . . . . . . . . . . 215 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 12 Interactions électromagnétiques 221 12.1 Pseudoscalaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 12.2 Effet Primakoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 12.3 Les moments magnétiques des baryons . . . . . . . . . . . . . . . . 223 12.4 Le rayon de charge du neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 12.5 L’hydrogène muonique et le rayon du proton . . . . . . . . . . . . 226 12.6 Moment quadrupolaire du Ω− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 12.7 Les atomes exotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Capture et cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Le décalage et l’élargissement des niveaux . . . . . . . . . . . . . . 228 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 13 Les désintégrations faibles 237 13.1 Aperçu des interactions faibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 13.2 Des hadrons aux quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 13.3 La matrice CKM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 13.4 Désintégration des hadrons ordinaires . . . . . . . . . . . . . . . . 242 13.5 Désintégration des hadrons étranges . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Désintégration des hypérons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Désintégration et oscillation des mésons étranges . . . . . . . . . . 244 13.6 Désintégration du charme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 13.7 Désintégration de la beauté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 13.8 Désintégration des mésons 퐵푐 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 13.9 Désintégration du top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 14 Perspectives 261 Retrouver ce titre sur Numilog.com 15 Solution de certains exercices 263 15.1 Exercices du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 15.2 Exercices du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 15.3 Exercices du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 15.4 Exercices du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 15.5 Exercices du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 15.6 Exercices du chapitre 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 15.7 Exercices du chapitre 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 15.8 Exercices du chapitre 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 15.9 Exercices du chapitre 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 15.10 Exercices du chapitre 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 15.11 Exercices du chapitre 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 15.12 Exercices du chapitre 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 16 Glossaire 291 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Index des sujets 307 Index des noms |
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