11.S : Physique des particules et cosmologie (Résumé)
- Page ID
- 189550
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
Termes clés
| antiparticule | particule subatomique ayant la même masse et la même durée de vie que la particule associée, mais ayant une charge électrique opposée |
| numéro de baryon | le nombre de baryons a la valeur\(B=+1\) pour les baryons,\(–1\) pour les antibaryons, et 0 pour toutes les autres particules et est conservé dans les interactions entre les particules |
| baryons | groupe de trois quarks |
| Big Bang | expansion rapide de l'espace qui a marqué le début de l'univers |
| boson | particule à spin intégral qui est symétrique lors de l'échange |
| couleur | propriété des particules et qui joue le même rôle dans les interactions nucléaires fortes que la charge électrique dans les interactions électromagnétiques |
| rayonnement de fond diffus cosmique (CMBR) | rayonnement thermique produit par l'événement Big Bang |
| cosmologie | étude de l'origine, de l'évolution et du destin ultime de l'univers |
| énergie noire | forme d'énergie supposée être responsable de l'accélération observée de l'univers |
| matière noire | matière de l'univers qui n'interagit pas avec d'autres particules mais qui peut être déduite par la déflexion de la distance de la lumière des étoiles |
| force électrofaible | unification de la force électromagnétique et des interactions entre forces nucléaires faibles et forces nucléaires |
| symétrie d'échange | propriété d'un système de particules indiscernables qui nécessite l'échange de deux particules quelconques pour ne pas être observable |
| fermion | particule dont le spin semi-intégral est antisymétrique lors de l'échange |
| Schéma de Feynman | diagramme spatio-temporel qui décrit la façon dont les particules se déplacent et interagissent |
| force fondamentale | l'une des quatre forces qui agissent entre les corps de matière : les forces nucléaires, électromagnétiques, nucléaires faibles et gravitationnelles |
| gluon | particule qui transporte la forte force nucléaire entre les quarks au sein d'un noyau atomique |
| grande théorie unifiée | théorie des interactions entre particules qui unifie les forces nucléaires, électromagnétiques et nucléaires faibles |
| hadron | un méson ou un baryon |
| La constante de Hubble | constante qui relie la vitesse et la distance dans la loi de Hubble |
| Loi de Hubble | relation entre la vitesse et la distance des étoiles et des galaxies |
| lepton | un fermion qui participe à la force électrofaible |
| numéro de lepton | le nombre électron-lepton\(L_e\), le nombre\(L_μ\) muon-lepton et le nombre tau-lepton\(L_τ\) sont conservés séparément dans chaque interaction entre particules |
| mésons | un groupe de deux quarks |
| nucléosynthèse | création d'éléments lourds, survenant pendant le Big Bang |
| accélérateur de particules | machine conçue pour accélérer les particules chargées ; cette accélération est généralement obtenue avec de forts champs électriques, des champs magnétiques, ou les deux |
| détecteur de particules | détecteur conçu pour mesurer avec précision le résultat des collisions créées par un accélérateur de particules ; les détecteurs de particules sont hermétiques et polyvalents |
| positon | antiélectron |
| chromodynamique quantique (QCD) | théorie qui décrit les interactions fortes entre les quarks |
| électrodynamique quantique (QED) | théorie qui décrit l'interaction des électrons avec les photons |
| quark | un fermion qui participe à la force nucléaire électrofaible et forte |
| redshift | allongement de la longueur d'onde de la lumière (ou rougeur) dû à l'expansion cosmologique |
| Modèle standard | modèle d'interactions entre particules qui intègre la théorie des électrofaibles et la chromodynamique quantique (QCD) |
| étrangeté | propriété des particules associée à la présence d'un quark étrange |
| force nucléaire puissante | force d'attraction relativement forte qui agit sur de courtes distances (environ \ (10^ {−15}) m) responsable de la liaison des protons et des neutrons ensemble dans les noyaux atomiques |
| synchrotron | accélérateur circulaire qui utilise une tension alternative et des intensités de champ magnétique croissantes pour accélérer les particules à des énergies de plus en plus élevées |
| rayonnement synchrotron | rayonnement à haute énergie produit dans un accélérateur synchrotron par le mouvement circulaire d'un faisceau chargé |
| théorie du tout | une théorie des interactions entre les particules qui unifie les quatre forces fondamentales |
| particule virtuelle | particule qui existe depuis trop peu de temps pour être observable |
| Boson W et Z | particule d'une masse relativement importante qui transporte la faible force nucléaire entre les leptons et les quarks |
| force nucléaire faible | force relativement faible (environ\(10^{−6}\) la force nucléaire forte) responsable de la désintégration des particules élémentaires et des interactions entre les neutrinos |
Équations clés
| Moment d'une particule chargée dans un cyclotron | \(p=0.3Br\) |
| Énergie du centre de masse d'une machine à faisceau entrant en collision | \(W^2=2[E_1E_2+(p_1c)(p_2c)]+(m_1c^2)^2+(m_2c^2)^2\) |
| Temps approximatif d'échange d'une particule virtuelle entre deux autres particules | \(Δt=\frac{h}{E}\) |
| Loi de Hubble | \(v=H_0d\) |
| Métrique spatio-temporelle cosmologique | \(ds^2=c^2dt^2−a(t)^2d\sum^2\) |
Résumé
11.1 Introduction à la physique des particules
- Les quatre forces fondamentales de la nature sont, par ordre de force : nucléaire forte, électromagnétique, nucléaire faible et gravitationnelle. Les quarks interagissent via la force puissante, mais pas les leptons. Les quarks et les leptons interagissent via les forces électromagnétiques, faibles et gravitationnelles.
- Les particules élémentaires sont classées en fermions et en boson. Les fermions ont un spin semi-intégral et obéissent au principe d'exclusion. Les bosons ont un spin intégral et n'obéissent pas à ce principe. Les bosons sont les porteurs de force des interactions entre les particules.
- Les quarks et les leptons appartiennent à des familles de particules composées de trois membres chacune. Les membres d'une famille partagent de nombreuses propriétés (charge, rotation, participation à des forces) mais pas la masse.
- Toutes les particules contiennent des antiparticules. Les particules partagent les mêmes propriétés que leurs particules d'antimatière, mais portent une charge opposée.
11.2 Lois sur la conservation des particules
- Les interactions entre particules élémentaires sont régies par des lois de conservation des particules, qui peuvent être utilisées pour déterminer quelles réactions et désintégrations des particules sont possibles (ou interdites).
- La loi de conservation du nombre de baryons et la loi de conversation des trois leptons sont valables pour tous les processus physiques. Cependant, la conservation de l'étrangeté n'est valable que pour les interactions nucléaires fortes et les interactions électromagnétiques.
11.3 Quarks
- Six quarks connus existent : up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) et bottom (b). Ces particules sont des fermions à spin semi-intégral et à charge fractionnée.
- Les baryons se composent de trois quarks et les mésons d'une paire quark-antiquark. En raison de la force puissante, les quarks ne peuvent pas exister isolément.
- Des preuves de la présence de quarks ont été trouvées dans des expériences de diffusion.
11.4 Accélérateurs et détecteurs de particules
- De nombreux types d'accélérateurs de particules ont été développés pour étudier les particules et leurs interactions. Il s'agit notamment des accélérateurs linéaires, des cyclotrons, des synchrotrons et des faisceaux qui entrent en collision.
- Les machines à faisceau entrant en collision sont utilisées pour créer des particules massives qui se désintègrent rapidement en particules plus légères.
- Des détecteurs polyvalents sont utilisés pour concevoir tous les aspects des collisions à haute énergie. Il s'agit notamment de détecteurs pour mesurer la quantité de mouvement et l'énergie des particules chargées et des photons.
- Les particules chargées sont mesurées en les pliant en cercle sous l'effet d'un champ magnétique.
- Les particules sont mesurées à l'aide de calorimètres qui les absorbent.
11.5 Le modèle standard
- Le modèle standard décrit les interactions entre les particules par le biais de fortes forces nucléaires, électromagnétiques et nucléaires faibles.
- Les interactions entre particules sont représentées par des diagrammes de Feynman. Un diagramme de Feynman représente les interactions entre les particules sur un graphe spatio-temporel.
- Les forces électromagnétiques agissent sur une longue distance, tandis que les forces fortes et faibles agissent sur une courte distance. Ces forces sont transmises entre les particules en envoyant et en recevant des bosons.
- Les grandes théories unifiées cherchent à comprendre l'univers en termes d'une seule force.
11.6 Le Big Bang
- L'univers s'étend comme un ballon : chaque point s'éloigne d'un point sur l'autre.
- Les galaxies éloignées s'éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance. Ce taux est mesuré à environ 70 km/s/MPc. Ainsi, plus les galaxies sont éloignées de nous, plus leur vitesse augmente. Ces « vitesses de récession » peuvent être mesurées à l'aide du décalage de lumière Doppler.
- Selon les modèles cosmologiques actuels, l'univers a commencé avec le Big Bang il y a environ 13,7 milliards d'années.
11.7 Évolution de l'univers primitif
- L'univers primitif était chaud et dense.
- L'univers est isotrope et en expansion.
- Le rayonnement de fond cosmique est la preuve du Big Bang.
- La grande partie de la masse et de l'énergie de l'univers n'est pas bien comprise.