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Introduction à la physique des particules L. Marleau (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0) Introduction à la physique des particules L. Marleau Départementdephysique F UniversitéLaval F Québec F Canada CetouvrageaétérédigéavecScientiﬂc WorkPlace etcomposeravecLATEX2". (cid:176)(cid:1) 1997L.Marleau. Départementdephysique UniversitéLaval Québec,Canada. Tousdroitsréservés.Aucunextraitdecetouvragenepeutêtrereproduit,sousquelque formeouparquelqueprocédéquecesoit(machineélectronique,mécanique,àphotoco- pier,àenregistreroutoutautre)sansl’autorisationécritepréalabledel’auteur. Table des matières Avant-Propos xi 1 NOTIONS DE BASE 1 1.1 Survolrapide 1 Matière 1 Lestypesd’interaction 4 1.2 Définitionsutiles 4 Bosonsetfermions 4 Particule-Antiparticule 5 1.3 Systèmed’unitésnaturelles 5 1.4 Formalismequadri-dimensionnel 8 1.5 Notionsdephysiquequantique 11 Mécaniquequantiquerelativiste 11 Interactionsversuschamps 12 1.6 Échelledesinteractions 17 Interactionsélectromagnétiques 17 Interactionsfaibles 17 Interactionsfortes 21 Interactionsgravitationnelles 22 Tableaurécapitulatif 22 2 SOURCES ET DÉTECTEURS 25 2.1 Sources 25 Radioactivité 25 Rayonscosmiques 25 Accélérateurs 26 2.2 Détecteurs 38 Principesdedétections 38 Instrumentsdedétection 42 vi Tabledesmatières 3 DIFFUSION ET INTERACTION ENTRE PARTICULES 57 3.1 Cinématiqued’uneréaction-VariablesdeMandelstam 57 Systèmeducentredemasse(4-corps) 59 Systèmedulaboratoire(4-corps,ciblefixe) 61 Larapidité 62 3.2 Lesinteractionsenmécaniquequantique 63 3.3 Lamatricedediffusion,S 66 3.4 Espacedephase 67 3.5 Sectionefficace 68 Diffusion(4-corps) 71 3.6 Largeurdedésintégrationetviemoyenne 72 Désintégrationen2corps 73 Désintégrationen3corps 74 4 SYMÉTRIES DE L’ESPACE-TEMPS 77 4.1 Symétriesenmécaniquequantique 77 4.2 Invariancesousunetranslation 79 4.3 Rotationentroisdimensions 80 4.4 Parité 81 Paritéorbitale 82 Paritéintrinsèque 83 Conservationdelaparitétotale 83 Paritédesantiparticules 84 Exemples 85 4.5 Inversiondutemps 86 L’opérateurd’inversiondutemps,T 86 Application: lebilandétaillé 87 4.6 Invariancedejauge 88 Transformationdejauge 89 Lesphotons 90 4.7 Contrainted’unitarité 91 5 SYMÉTRIES INTERNES ET HADRONS 93 5.1 Symétriesglobalesetrèglesdesélection 93 Chargeélectrique,Q 93 Nombreleptoniquetotal,L 94 Nombreélectronique,muonique,tauonique... 94 Nombrebaryonique,B 95 5.2 Isospin 96 SymétrieSU(2) 98 Tabledesmatières vii GénérateursdeSU(2) 99 RelationdeGell-Mann-Nishijima 99 Conservationd’isospin 100 5.3 Étrangetéethypercharge 101 5.4 Autressaveurs 103 Charme 103 Bottom 104 Top 104 RelationdeGell-Mann-Nishijima(révisée) 105 5.5 Conjugaisondelacharge 105 Paritédechargetotale 106 InvariancesousC 107 Lespionsetlesphotons 107 Systèmesparticule-antiparticule 108 ViolationdeCP ouT etThéorèmeCPT 109 5.6 Parité-G 110 5.7 Résonances 111 6 LE MODÈLE DES QUARKS 115 6.1 Introduction 115 Historique 115 6.2 Théoriedesgroupes 118 Propriétésgénéralesd’ungroupe 118 GroupedeLie(compact) 119 Représentations 120 Racine,rangetpoids 121 Rotationen2D—groupeSO(2) 123 Rotationen3D—groupeSO(3) 123 GroupeU(1) 123 GroupeSU(N) 123 6.3 QuarksetReprésentationsSU(N) 129 LienentrereprésentationSU(N)etmodèledesquarks 129 ReprésentationsirréductiblesetTableauxdeYoung 130 Constructiondesfonctionsd’onde 135 6.4 Couleur 141 GroupeSU(3)deCouleur 141 Fonctionsd’ondedecouleur 142 Évidenceexpérimentale 143 6.5 MassesetMomentsMagnétiques 144 Masses 144 (cid:176)(cid:1) 1997L.Marleau viii Tabledesmatières Momentsmagnétiques 147 6.6 Diagrammesdequarks 150 6.7 CharmeetSU(4) 152 Mésons 152 Baryons 156 7 INTERACTIONS ÉLECTROMAGNÉTIQUES 159 7.1 Diffusione¡N 159 7.2 Lespin 159 7.3 Facteurdeforme 159 7.4 Productiondepairesdemuons 160 7.5 SuccèsdeQED 160 7.6 Invariancedejauge 160 8 INTERACTIONS FAIBLES 161 8.1 Classification 161 8.2 ThéoriedeFermi 161 8.3 Nonconservationdelaparité 161 8.4 InteractionV ¡A 162 8.5 ModèledeWeinberg-Salam(survol) 162 8.6 AngledeCabbiboetmatricedeKobayashi-Maskawa 162 8.7 Courantsneutres 162 8.8 ModèleGIMetlecharme 162 8.9 ObservationduZ0 etdesW§ 163 8.10 PhysiqueduK0 163 8.11 ViolationdeCP 163 9 INTERACTIONS FORTES (QCD) 165 9.1 Couleur 165 GroupeSU(3)deCouleur 165 Fonctionsd’ondedecouleur 166 Libertéasymptotique 167 Évidenceexpérimentale 167 9.2 Interactions 168 Interactionsfaibles 168 Avant-Propos ix InteractionsFortes 169 9.3 Modèledespartons 169 9.4 DiffusioninélastiqueprofondedeeN 169 9.5 Invarianced’échelleetpartons 170 9.6 Diffusioninélastiqueprofondeavecneutrinos 170 9.7 Diffusionlepton-quark 170 9.8 Collisionshadron-hadron 170 10 UNIFICATION DES FORCES 173 10.1 Divergencesetrenormalisabilité 174 10.2 Bosonsintermédiaires 174 10.3 Théoriedejaugenon-abélienne 174 10.4 Interactionsélectrofaibles 174 10.5 Grandeunification 174 10.6 Autresextensionsdumodèlestandard 175 A Notation, conventions, constantes... 177 A.1 Notations 177 A.2 Constantesfondamentalesenphysique 177 A.3 UnitésSI 180 A.4 Unitésnaturelles 181 A.5 CoefficientsdeClebsh-Gordan 183 A.6 Références 184 B Rappel de relativité restreinte et cinématique relativiste 185 B.1 Larelativitérestreinte 185 B.2 Cinématiquerelativiste 187 C Équation de Dirac 195 D Particules stables, collisionneurs,... 197 Index 199 (cid:176)(cid:1) 1997L.Marleau