| Titre : |
Le modele standard de la physique des particules. De l'electron au boson de Higgs |
| Type de document : |
texte imprimé |
| Auteurs : |
Samueli Jean-Jacques |
| Editeur : |
Ellipses |
| Année de publication : |
2013 |
| Importance : |
383 pages |
| Format : |
17 x 24 cm |
| ISBN/ISSN/EAN : |
978-2-7298-8001-9 |
| Langues : |
Français (fre) |
| Mots-clés : |
Particules (physique) Bosons de Higgs Physique Histoire Modèle standard (physique) |
| Index. décimale : |
530 - physique |
| Résumé : |
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les constituants élémentaires de la matière et les interactions qui existent entre eux. Le présent ouvrage est un exposé du développement historique de ce modèle qui suppose que toute la matière est composée de quarks et de leptons, particules ponctuelles de spin 1⁄2. On dénombre trois générations de quarks et autant de leptons. Les interactions faible, forte et électromagnétique sont, pour leur part, décrites par des théories de jauge dont la médiation est effectuée par des quanta de jauge de spin 1. Ces médiateurs sont les γ , W + , W − , Z ainsi que huit gluons. La gravitation est par ailleurs analysée dans l’ouvrage dans sa formulation classique et relativiste.
Enfin le mécanisme dit de Englert-Brout-Higgs prévoit des particules de spin zéro, correspondant à un champ scalaire qui est supposé donner une masse aux quarks, leptons et aux bosons vecteurs intermédiaires W + , W − , Z . Nous décrivons ce mécanisme et les expériences du CERN qui ont permis d’observer, selon les résultats communiqués en juillet 2012, une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs.
Enfin, nous indiquons les limitations du Modèle Standard et disons quelques mots des théories de Supersymétrie et de Grande Unification.
Des reproductions de titres d’éditions originales et une bibliographie complètent l’ouvrage. |
| Note de contenu : |
Table des matières
Introduction ...... 3
Chapitre 1. La physique des particules et le concept de matière ...... 13
1.1. La matière selon Descartes, Leibniz et Newton ......14
1.2. La matière et l’énergie ...... 21
1.3. L’énergie de masse ...... 22
1.4. La matière quantique ...... 26
Chapitre 2. Les débuts de la théorie atomique moderne de la matière ....... 29
2.1. Dalton ...... 30
2.2. La loi périodique des éléments de Mendeleiev ...... 33
2.3. Le commentaire de Marie Curie ...... 38
Chapitre 3. Le photon lumineux ...... 39
3.1. De l’optique géométrique à l’expérience de Foucault ...... 40
3.1.1. La vitesse de la lumière étudiée par Römer en 1676 ...... 45
3.1.2. La nature de la lumière ...... 47
3.1.3. L’optique de Newton ...... 47
3.1.4. L’optique de Huygens ...... 57
3.1.5. La découverte des interférences par Young ...... 60
3.1.6. La découverte de la polarisation ...... 62
3.1.7. Fresnel et la diff raction ...... 64
3.2. La vitesse de la lumière dans la théorie
de l’émission corpusculaire et dans la théorie ondulatoire ...... 69
3.3. La théorie électromagnétique de la lumière de Maxwell ...... 72
Chapitre 4. Les découvertes relatives au photon de 1895 à 1905 ...... 81
4.1. La découverte des rayons X ...... 81
4.1.1. Les rayons cathodiques à l’origine de la découverte des rayons X ...... 81
4.1.2. Le processus de création des photons X
dans l’expérience de Röntgen ...... 85
LE MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES
380
4.2. Le quantum d’action de Planck, 1900 ...... 88
4.3. Les quanta de lumière d’Einstein ...... 96
4.4. Les découvertes ultérieures à 1896 relatives aux rayons X ...... 100
Chapitre 5. La découverte de l’électron ...... 101
5.1. La découverte expérimentale de l’électron ...... 102
5.1.1. Des rayons cathodiques à la découverte de l’électron ...... 103
5.1.2. La détermination du rapport de la charge
à la masse de l’électron par J. J. Th omson en 1897 ...... 106
Chapitre 6. La radioactivité et les rayonnements α, β et γ ...... 111
6.1. La découverte de la radioactivité naturelle par H. Becquerel ...... 111
6.2. La découverte du polonium et du radium par Marie Curie ...... 117
6.3. Découverte des rayonnements α et β et de la loi de décroissance
de la radioactivité ...... 122
6.3.1. Découverte des rayonnements α et β ...... 122
6.3.2. La loi de la décroissance radioactive ...... 124
6.4. L’identité des rayons β et des électrons ...... 128
6.5. La découverte des rayons γ ...... 130
6.6. L’évaluation de l’énergie rayonnée par les radioéléments ...... 134
6.7. La cause et la nature de la radioactivité ...... 137
6.7.1. La radioactivité induite ...... 137
6.7.2. La cause de la radioactivité ...... 140
Chapitre 7. La découverte du proton par Rutherford ...... 143
7.1. Modèle de l’atome de Rutherford en 1911 ...... 145
7.2. La première réaction nucléaire, 1919 ...... 145
Chapitre 8. Les antiparticules, les rayons cosmiques
et la découverte du positron ...... 153
8.1. L’équation de Dirac et les antiparticules ...... 153
8.2. La découverte des rayons cosmiques ...... 154
8.3. La découverte du positron ...... 158
Chapitre 9. L’eff et Compton ...... 163
9.1. La découverte de l’eff et Compton ...... 163
9.2. La formule de la diff usion Compton ...... 164
Chapitre 10. Le spin ...... 167
10.1. L’expérience de Stern et Gerlach ...... 168
10.2. Le spin et le principe de Pauli ...... 169
DE L’ÉLECTRON AU BOSON DE HIGGS
381
10.3. Spin nucléaire et moment magnétique nucléaire ...... 169
10.4. Les conséquences de l’expérience de Stern et Gerlach ...... 172
Chapitre 11. La dualité onde-corpuscule ...... 175
Chapitre 12. L’électrodynamique quantique ...... 181
12.1. Les travaux de P. A. M. Dirac ...... 181
12.1.1. La mécanique des q-nombres ...... 183
12.1.2. Les équations de Dirac de la mécanique quantique ...... 183
12.2. L’électron relativiste ...... 187
12.3. L’équation de Klein-Gordon ...... 188
12.4. Développement de Fourier ...... 189
12.5. La deuxième quantifi cation ...... 190
12.6. La théorie quantique des champs et la renormalisation ...... 190
12.7. Les graphes de Feynman ...... 193
12.8. La technique d’intégrale de chemins ...... 196
12.9. L’éther de Dirac ...... 198
Chapitre 13. La théorie de Fermi de la radioactivité β ...... 203
Chapitre 14. Le spectre du rayonnement β et le neutrino ...... 209
14.1. Les expériences de Hahn, Meitner et Otto von Baeyer ...... 210
14.2. Les démonstrations de Chadwick et d’Ellis ...... 211
14.3. Pauli propose l’existence du neutrino ...... 214
14.4. Le neutrino de Majorana ...... 215
14.5. Connaissances actuelles concernant les neutrinos ...... 216
Chapitre 15. La découverte du neutron ...... 219
15.1. Les contributions d’Irène Curie et de Frédéric Joliot ...... 220
15.2. La découverte du neutron par Chadwick ...... 222
Chapitre 16. Rappels de mathématiques et de physique ...... 227
16.1. Quadrivecteurs ...... 227
16.2. Le lagrangien ...... 229
16.3. L’hamiltonien ...... 230
16.4. Les crochets de Lagrange, de Poisson et de Dirac ...... 231
16.5. Les groupes ...... 234
16.6. Les théories de jauge ...... 236
16.7. La relativité restreinte ...... 242
16.7.1. Les travaux initiaux de H. A. Lorentz ...... 243
16.7.2. Les travaux de Poincaré ...... 247
LE MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES
382
• 16.7.2.1. Les formules de la relativité restreinte
et la formule d‘addition des vitesses dans les travaux de Poincaré ....... 251
• 16.7.2.2. La publication des Rendiconti ...... 253
16.7.3. La première publication d’Einstein sur la relativité restreinte ...... 255
16.7.4. Comparaison des formalismes de Poincaré et d’Einstein ...... 259
16.7.5. Les formules de la relativité restreinte ...... 262
16.7.6. L’espace-temps en relativité restreinte ...... 265
Chapitre 17. La théorie de Yukawa ...... 267
17.1. Les interactions nucléaires ...... 267
17.2. La découverte expérimentale du pion et du muon ...... 270
17.3. La découverte du Kaon ...... 272
Chapitre 18. L’étrangeté ...... 275
Chapitre 19. La théorie de Yang et Mills et les théories de jauge ...... 279
19.1. La symétrie des lois physiques ...... 279
19.2. La violation de parité dans les interactions faibles ...... 279
19.3. Rappels concernant les équations de Schrödinger
et de Klein-Gordon et les invariances de jauge globale et locale ...... 281
19.4. La théorie de Yang et Mills ...... 285
Chapitre 20. La voie octuple, et les quarks ...... 289
20.1. Hadrons et Baryons ...... 289
20.2. La voie octuple ...... 290
20.3. La découverte de l’Ω− ...... 292
20.4. Les quarks ...... 292
Chapitre 21. La formulation complète de l’interaction faible
et la découverte des bosons W et Z ...... 295
21.1. La force faible ...... 295
21.2. Les bosons intermédiaires massifs ...... 296
21.3. Constante de couplage de l’interaction faible ...... 300
Chapitre 22. Les autres quarks : c, b, t ...... 301
22.1. Le méson J/Ψ et le quark c ...... 301
22.2. Les cinquième et sixième quarks ...... 302
Chapitre 23. La découverte du lepton tau ...... 305
Chapitre 24. Chromodynamique quantique,
théorie de l’interaction forte (1973), découverte du gluon (1979) ...... 307
24.1 La théorie de l’interaction forte ...... 308
DE L’ÉLECTRON AU BOSON DE HIGGS
383
24.2. Le gluon ...... 309
24.3. La découverte expérimentale du gluon ...... 311
Chapitre 25. Découverte de neutrinos massifs ...... 313
Chapitre 26. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ...... 317
26.1. Brisure spontanée de symétrie ...... 317
26.2. La conjecture de Goldstone ...... 318
26.3. La génération de la masse ...... 319
26.4. Les recherches expérimentales et la découverte d’un boson
dont les caractéristiques sont compatibles avec le modèle standard ........ 322
26.5. Les résultats des expériences ATLAS et CMS du LHC au CERN ............. 325
26.6. Le faux vide ...... 329
Chapitre 27. Les interactions ...... 333
27.1. Caractéristiques des quatre interactions ...... 333
27.2. Les constantes de couplage des diff érentes interactions ...... 334
27.3. L’interaction électromagnétique ...... 335
27.4. La gravitation ...... 338
27.4.1. La théorie newtonienne de la gravitation ...... 338
27.4.2. La gravitation relativiste ...... 346
Chapitre 28. Au-delà du modèle standard ...... 359
28.1. La supersymétrie ...... 359
28.1.1. La supersymétrie et la cosmologie ...... 362
28.1.2. Énergie du vide et énergie noire ...... 363
28.1.3. La matière noire ...... 364
28.1.4. Supersymétrie et matière noire ...... 365
28.2. La GUT (Th éorie de grande unifi cation) ...... 366
28.3. Cordes, supercordes et gravitation quantique ...... 368
Chapitre 29. Les limites du modèle standard ...... 371
Bibliographie ...... 373 |
Le modele standard de la physique des particules. De l'electron au boson de Higgs [texte imprimé] / Samueli Jean-Jacques . - Ellipses, 2013 . - 383 pages ; 17 x 24 cm. ISBN : 978-2-7298-8001-9 Langues : Français ( fre)
| Mots-clés : |
Particules (physique) Bosons de Higgs Physique Histoire Modèle standard (physique) |
| Index. décimale : |
530 - physique |
| Résumé : |
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les constituants élémentaires de la matière et les interactions qui existent entre eux. Le présent ouvrage est un exposé du développement historique de ce modèle qui suppose que toute la matière est composée de quarks et de leptons, particules ponctuelles de spin 1⁄2. On dénombre trois générations de quarks et autant de leptons. Les interactions faible, forte et électromagnétique sont, pour leur part, décrites par des théories de jauge dont la médiation est effectuée par des quanta de jauge de spin 1. Ces médiateurs sont les γ , W + , W − , Z ainsi que huit gluons. La gravitation est par ailleurs analysée dans l’ouvrage dans sa formulation classique et relativiste.
Enfin le mécanisme dit de Englert-Brout-Higgs prévoit des particules de spin zéro, correspondant à un champ scalaire qui est supposé donner une masse aux quarks, leptons et aux bosons vecteurs intermédiaires W + , W − , Z . Nous décrivons ce mécanisme et les expériences du CERN qui ont permis d’observer, selon les résultats communiqués en juillet 2012, une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs.
Enfin, nous indiquons les limitations du Modèle Standard et disons quelques mots des théories de Supersymétrie et de Grande Unification.
Des reproductions de titres d’éditions originales et une bibliographie complètent l’ouvrage. |
| Note de contenu : |
Table des matières
Introduction ...... 3
Chapitre 1. La physique des particules et le concept de matière ...... 13
1.1. La matière selon Descartes, Leibniz et Newton ......14
1.2. La matière et l’énergie ...... 21
1.3. L’énergie de masse ...... 22
1.4. La matière quantique ...... 26
Chapitre 2. Les débuts de la théorie atomique moderne de la matière ....... 29
2.1. Dalton ...... 30
2.2. La loi périodique des éléments de Mendeleiev ...... 33
2.3. Le commentaire de Marie Curie ...... 38
Chapitre 3. Le photon lumineux ...... 39
3.1. De l’optique géométrique à l’expérience de Foucault ...... 40
3.1.1. La vitesse de la lumière étudiée par Römer en 1676 ...... 45
3.1.2. La nature de la lumière ...... 47
3.1.3. L’optique de Newton ...... 47
3.1.4. L’optique de Huygens ...... 57
3.1.5. La découverte des interférences par Young ...... 60
3.1.6. La découverte de la polarisation ...... 62
3.1.7. Fresnel et la diff raction ...... 64
3.2. La vitesse de la lumière dans la théorie
de l’émission corpusculaire et dans la théorie ondulatoire ...... 69
3.3. La théorie électromagnétique de la lumière de Maxwell ...... 72
Chapitre 4. Les découvertes relatives au photon de 1895 à 1905 ...... 81
4.1. La découverte des rayons X ...... 81
4.1.1. Les rayons cathodiques à l’origine de la découverte des rayons X ...... 81
4.1.2. Le processus de création des photons X
dans l’expérience de Röntgen ...... 85
LE MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES
380
4.2. Le quantum d’action de Planck, 1900 ...... 88
4.3. Les quanta de lumière d’Einstein ...... 96
4.4. Les découvertes ultérieures à 1896 relatives aux rayons X ...... 100
Chapitre 5. La découverte de l’électron ...... 101
5.1. La découverte expérimentale de l’électron ...... 102
5.1.1. Des rayons cathodiques à la découverte de l’électron ...... 103
5.1.2. La détermination du rapport de la charge
à la masse de l’électron par J. J. Th omson en 1897 ...... 106
Chapitre 6. La radioactivité et les rayonnements α, β et γ ...... 111
6.1. La découverte de la radioactivité naturelle par H. Becquerel ...... 111
6.2. La découverte du polonium et du radium par Marie Curie ...... 117
6.3. Découverte des rayonnements α et β et de la loi de décroissance
de la radioactivité ...... 122
6.3.1. Découverte des rayonnements α et β ...... 122
6.3.2. La loi de la décroissance radioactive ...... 124
6.4. L’identité des rayons β et des électrons ...... 128
6.5. La découverte des rayons γ ...... 130
6.6. L’évaluation de l’énergie rayonnée par les radioéléments ...... 134
6.7. La cause et la nature de la radioactivité ...... 137
6.7.1. La radioactivité induite ...... 137
6.7.2. La cause de la radioactivité ...... 140
Chapitre 7. La découverte du proton par Rutherford ...... 143
7.1. Modèle de l’atome de Rutherford en 1911 ...... 145
7.2. La première réaction nucléaire, 1919 ...... 145
Chapitre 8. Les antiparticules, les rayons cosmiques
et la découverte du positron ...... 153
8.1. L’équation de Dirac et les antiparticules ...... 153
8.2. La découverte des rayons cosmiques ...... 154
8.3. La découverte du positron ...... 158
Chapitre 9. L’eff et Compton ...... 163
9.1. La découverte de l’eff et Compton ...... 163
9.2. La formule de la diff usion Compton ...... 164
Chapitre 10. Le spin ...... 167
10.1. L’expérience de Stern et Gerlach ...... 168
10.2. Le spin et le principe de Pauli ...... 169
DE L’ÉLECTRON AU BOSON DE HIGGS
381
10.3. Spin nucléaire et moment magnétique nucléaire ...... 169
10.4. Les conséquences de l’expérience de Stern et Gerlach ...... 172
Chapitre 11. La dualité onde-corpuscule ...... 175
Chapitre 12. L’électrodynamique quantique ...... 181
12.1. Les travaux de P. A. M. Dirac ...... 181
12.1.1. La mécanique des q-nombres ...... 183
12.1.2. Les équations de Dirac de la mécanique quantique ...... 183
12.2. L’électron relativiste ...... 187
12.3. L’équation de Klein-Gordon ...... 188
12.4. Développement de Fourier ...... 189
12.5. La deuxième quantifi cation ...... 190
12.6. La théorie quantique des champs et la renormalisation ...... 190
12.7. Les graphes de Feynman ...... 193
12.8. La technique d’intégrale de chemins ...... 196
12.9. L’éther de Dirac ...... 198
Chapitre 13. La théorie de Fermi de la radioactivité β ...... 203
Chapitre 14. Le spectre du rayonnement β et le neutrino ...... 209
14.1. Les expériences de Hahn, Meitner et Otto von Baeyer ...... 210
14.2. Les démonstrations de Chadwick et d’Ellis ...... 211
14.3. Pauli propose l’existence du neutrino ...... 214
14.4. Le neutrino de Majorana ...... 215
14.5. Connaissances actuelles concernant les neutrinos ...... 216
Chapitre 15. La découverte du neutron ...... 219
15.1. Les contributions d’Irène Curie et de Frédéric Joliot ...... 220
15.2. La découverte du neutron par Chadwick ...... 222
Chapitre 16. Rappels de mathématiques et de physique ...... 227
16.1. Quadrivecteurs ...... 227
16.2. Le lagrangien ...... 229
16.3. L’hamiltonien ...... 230
16.4. Les crochets de Lagrange, de Poisson et de Dirac ...... 231
16.5. Les groupes ...... 234
16.6. Les théories de jauge ...... 236
16.7. La relativité restreinte ...... 242
16.7.1. Les travaux initiaux de H. A. Lorentz ...... 243
16.7.2. Les travaux de Poincaré ...... 247
LE MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES
382
• 16.7.2.1. Les formules de la relativité restreinte
et la formule d‘addition des vitesses dans les travaux de Poincaré ....... 251
• 16.7.2.2. La publication des Rendiconti ...... 253
16.7.3. La première publication d’Einstein sur la relativité restreinte ...... 255
16.7.4. Comparaison des formalismes de Poincaré et d’Einstein ...... 259
16.7.5. Les formules de la relativité restreinte ...... 262
16.7.6. L’espace-temps en relativité restreinte ...... 265
Chapitre 17. La théorie de Yukawa ...... 267
17.1. Les interactions nucléaires ...... 267
17.2. La découverte expérimentale du pion et du muon ...... 270
17.3. La découverte du Kaon ...... 272
Chapitre 18. L’étrangeté ...... 275
Chapitre 19. La théorie de Yang et Mills et les théories de jauge ...... 279
19.1. La symétrie des lois physiques ...... 279
19.2. La violation de parité dans les interactions faibles ...... 279
19.3. Rappels concernant les équations de Schrödinger
et de Klein-Gordon et les invariances de jauge globale et locale ...... 281
19.4. La théorie de Yang et Mills ...... 285
Chapitre 20. La voie octuple, et les quarks ...... 289
20.1. Hadrons et Baryons ...... 289
20.2. La voie octuple ...... 290
20.3. La découverte de l’Ω− ...... 292
20.4. Les quarks ...... 292
Chapitre 21. La formulation complète de l’interaction faible
et la découverte des bosons W et Z ...... 295
21.1. La force faible ...... 295
21.2. Les bosons intermédiaires massifs ...... 296
21.3. Constante de couplage de l’interaction faible ...... 300
Chapitre 22. Les autres quarks : c, b, t ...... 301
22.1. Le méson J/Ψ et le quark c ...... 301
22.2. Les cinquième et sixième quarks ...... 302
Chapitre 23. La découverte du lepton tau ...... 305
Chapitre 24. Chromodynamique quantique,
théorie de l’interaction forte (1973), découverte du gluon (1979) ...... 307
24.1 La théorie de l’interaction forte ...... 308
DE L’ÉLECTRON AU BOSON DE HIGGS
383
24.2. Le gluon ...... 309
24.3. La découverte expérimentale du gluon ...... 311
Chapitre 25. Découverte de neutrinos massifs ...... 313
Chapitre 26. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ...... 317
26.1. Brisure spontanée de symétrie ...... 317
26.2. La conjecture de Goldstone ...... 318
26.3. La génération de la masse ...... 319
26.4. Les recherches expérimentales et la découverte d’un boson
dont les caractéristiques sont compatibles avec le modèle standard ........ 322
26.5. Les résultats des expériences ATLAS et CMS du LHC au CERN ............. 325
26.6. Le faux vide ...... 329
Chapitre 27. Les interactions ...... 333
27.1. Caractéristiques des quatre interactions ...... 333
27.2. Les constantes de couplage des diff érentes interactions ...... 334
27.3. L’interaction électromagnétique ...... 335
27.4. La gravitation ...... 338
27.4.1. La théorie newtonienne de la gravitation ...... 338
27.4.2. La gravitation relativiste ...... 346
Chapitre 28. Au-delà du modèle standard ...... 359
28.1. La supersymétrie ...... 359
28.1.1. La supersymétrie et la cosmologie ...... 362
28.1.2. Énergie du vide et énergie noire ...... 363
28.1.3. La matière noire ...... 364
28.1.4. Supersymétrie et matière noire ...... 365
28.2. La GUT (Th éorie de grande unifi cation) ...... 366
28.3. Cordes, supercordes et gravitation quantique ...... 368
Chapitre 29. Les limites du modèle standard ...... 371
Bibliographie ...... 373 |
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Le modele standard de la physique des particules. De l'electron au boson de Higgs
