physique des particules et physique nucléairelfavart/cours/slides-phys... · phys-f305 - l. favart...

Physique des Particules et Physique Nucléaire

PHYS-F305 Année 2018-2019

Première partie - L. Favart

VIII - Interactions fondamentales

1

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

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 3

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 )

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII

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

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII

• A l’ordre supérieur dans l’approche perturbative : diagrammes à 4 vertex

6

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 7

charges des quarks

résonnances

2

2

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII

4. Chromodynamique Quantique (QCD)

8

q

g

qmg = 0

g

g g g

g

g

g

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

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 10

αs <<< 1

αs > 1

4.a Confinement des quarks

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 11

Confinement des quarks

I.f.I.F.

D-

D+

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 12

Confinement des quarks : jets

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 13

jets

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 14

Désintégration forte

jamais de changement de

saveur

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII 15

4.b Structure du proton

Quarks de valence Quarks de la mer

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

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�

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

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

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+ ! ⇡+⇡+⇡�

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

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

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

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

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

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

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

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

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII

8. Symétrie CP (I.f.)

29

PHYS-F305 - L. Favart - Chapitre VIII

Symétries discrètes P, CP et CPT

30

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