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Physique des particules élémentaires

La question de savoir de quoi est constituée la matière à l’échelle la plus élémentaire et quel rôle y jouent les interactions fondamentales a toujours excité la curiosité des hommes. Ceci est d’autant plus vrai depuis que nous savons que le domaine de la physique des particules élémentaires a constitué une étape très importante dans l’évolution de notre univers primordial. Les études de l’infiniment petit doivent aussi permettre de mieux comprendre l’infiniment grand.

Il sera question dans ce cours des constituants élémentaires comme les quarks ou les leptons et des différentes forces qui leur sont associées comme l’électromagnétisme, les interactions fortes et faibles. Cet ensemble que l’on nomme le « modèle standard » ne peut être décrit et compris sans le cadre étrange et fascinant de la théorie quantique à laquelle il faut rajouter les concepts de la mécanique relativiste. Un exemple particulier illustre parfaitement l’aspect mystérieux des particules élémentaires : les neutrinos. Ces particules sont produites en quantité gigantesque aussi bien au cœur du soleil que dans les réacteurs des centrales nucléaires ou dans les couches supérieures de notre atmosphère. Ils n’interagissent avec rien, possèdent une masse quasi nulle et ne sont pas chargés. Ceci n’empêche pas les physiciens d’étudier ces fantômes de l’infiniment petit en les faisant par exemple « osciller » sur des distances de plus de 290 kilomètres.

Une partie importante du cours sera consacrée aux concepts (symétrie, lois de conservation, degrés de liberté interne et dimensions supplémentaires, …) de la physique moderne utilisée avec succès dans l’infiniment petit, aux résultats spectaculaires obtenus auprès des accélérateurs de particules et aux grandes questions fondamentales que l’on continue à se poser après plus de quatre-vingts années de recherche. La mise en évidence expérimentale et sa compréhension théorique de la différence entre la matière et l’antimatière représente un exemple d’enjeu majeur de recherche dans ce domaine de la physique. Notre univers primordial a dû produire une quantité égale de matière et d’antimatière. Se pose alors la question de la « disparition » de l’antimatière dans notre univers actuel qui illustre parfaitement les liens étroits entre la physique des deux infinis.

L’ambition de ce cours est d’introduire de façon simple les concepts de la physique des particules élémentaires sans faire appel à des développements théoriques compliqués. L’enseignement du cours de mécanique quantique de première et deuxième années est suffisant pour suivre ce cours sans effort particulier.


Référence bibliographique :
Introduction à la physique subatomique

• • par André Rougé (2005)

• • Fiche détaillée
  • Table des matières

Ouvrage disponible auprès des Editions de l'Ecole Polytechnique.

Niveau requis :
PHY431 - Relativité et principes variationnels
PHY430 - Physique quantique avancée

Langue du cours : Français

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Elementary particle physics

The question of what matter is made of at the most elementary scale and what role fundamental interactions play has always sparked human curiosity. This is all the more true since we know that the elementary particle physics was a crucial part of the evolution of our primordial universe. Studying the infinitely small will, therefore, allow us to better understand the infinitely large.

In this course, we will discuss elementary constituents of matter, such as quarks or leptons, and the different forces at play: electromagnetism, strong, and weak interactions. This ensemble of particles and interactions, which is called the "standard model", cannot be described and understood without the strange and fascinating framework of quantum theory, to which we must add the concepts of relativistic mechanics. One particular example that perfectly illustrates the mysterious aspect of elementary particles are neutrinos. These particles are produced in gigantic quantities in the heart of the Sun as well as in nuclear power plant reactors or in the upper layers of our atmosphere. They almost interact with nothing, have almost zero mass, and have no electric charge. This does not prevent physicists from studying these ghosts of the infinitely small by making them "oscillate" over distances of more than 290 kilometers.

An important part of the course will be devoted to the concepts of modern physics (symmetry, conservation laws, internal degrees of freedom and additional dimensions, ...) successfully used for infinitesimal scales, for the spectacular results obtained at particle accelerators, and for the great fundamental questions that we continue to ask after more than eighty years of research. The experimental demonstration and theoretical understanding of the difference between matter and antimatter represents an example of a major research challenge in this field of physics. Our primordial universe should have produced an equal quantity of matter and antimatter. This raises the question of the "disappearance" of antimatter in our present universe, which perfectly illustrates the close links between the physics of the two infinities.

The goal of this course is to introduce in a simple way the concepts of elementary particle physics without requiring complicated theoretical developments. First and second year quantum mechanics courses are sufficient prerequisites to follow this course without any particular effort.

 

Bibliographic references:
Introduction to subatomic physics

• • by André Rougé (2005)

• • Detailed sheet
  • Table of contents

Available on: Editions de l'Ecole Polytechnique.

 

Course language: French