Strasbourg (1984)
LES PARUTIONS DANS LE BUP
Journées nationales de l?Union des physiciens 1984 à Strasbourg
? Programme ...........................................................................................................................3
? Communication par affiches ..................................................................................................4
? Ordres de mission .................................................................................................................5
Journées nationales de l?Union des physiciens
? Programme ...........................................................................................................................6
? Résumé des conférences........................................................................................................8
? Ateliers pédagogiques ..........................................................................................................14
? Communications écrites et orales ........................................................................................16
? Liste des visites ....................................................................................................................17
? Renseignements pratiques ...................................................................................................18
? Fiches d?inscription .............................................................................................................19
Des conférences données pendant les journées de Strasbourg
? Les particules élémentaires et l?unification des interactions physiques ...................................25
? Quelques aspects expérimentaux de la physique des particules .............................................59
? Des particules aux molécules : l?organisation de la matière dans l?Univers ..........................121
BULLETIN
DE L'UNION
969
DES PHYSICIENS
Vie de l?Association
JOURNEES
NATIONALES
DE L?UNION
A STRASBOURG
DES
PHYSICIENS
1984
Les Journées Nationales
de l?Union
des Physiciens
se dérouleront cette année à Strasbourg,
du samedi 27 au mardi 30 octobre 1984. Le programme
détaillé, l?horaire,
le lieu, les résumés
de conférences,
les listes des ateliers et visites seront publiés dans
le numéro
du B.U.P. paraissant
en septembre,
en même temps
que les fiches d?inscription
et de réservations.
Nous donnons
ciaprès un programme
provisoire
et sommaire,
des indications
sur
la demande
d?ordre
de mission, et un appel aux collègues
désirant présenter
au cours des journées
une communication
orale
ou écrite.
1) PROGRAMME
SOMMAIRE.
Ctonférences :
1? « Particules
élémentaires
et idées actuelles sur l?unification
des interactions
élémentaires
», par M. J. LEITE-LOPE~,
professeur
à l?Université
Louis-Pasteur,
Strasbourg.
2? « Aspects expérimentaux
de la physique des hautes énergies », par M. M. SCHAEFFER, chargé de recherches,
responsable
du
groupe L.E.P. au Centre de Recherche
Nucléaire
à Strasbourg.
3? « Etudes actuelles sur le noyau atomique », par M. J.-P. VImaître de recherche
au Centre de Recherche
Nucléaire
de
Strasbourg-Cronenbourg.
VIEN,
4? « Des particules
aux molécules
: l?organisation
de la matière dans l?Univers », par M me A. ACKER, astrophysicienne,
professeur à l?Université
Louis-Pasteur,
Strasbourg.
5? « De l?organisation
moléculaire
aux structures
visibles »,
par M. G. OURISSON,
professeur
à l?Université
Louis-Pasteur,
membre de l?Académie
des Sciences.
- Une demi-journée,
consacrée
à un thème choisi par
l?inspection
générale, est placée sous sa responsabilité.
- Une journée
sera consacrée aux ateliers pédagogiques,
aux communications
orales ou par affiches et à l?exposition
de
matérisel didactique,
d?ouvrages
scolaires
et scientifiques.
970
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
- La dernière
journée
est consacrée à l?assemblée
générale, le matin, et l?après-midi
aux visites de laboratoires,
d?entreprises ou touristiques.
La visite des installations
du Centre de
Recherche Nucléaire
de Strasbourg-Cronenbourg
pourra être prévue pour une fraction
importante
des participants.
III
COMMUNICATION
PAR
AFFICHES.
Les Journées Nationales
de l?Union des Physiciens sont un lieu
privilégié
d?échanges
scientifiques
et pédagogiques
entre enseignants d?une même discipline.
N~ous pensons cependant
que la
qualité
de ces échanges peut encore être améliorée
en développant, lors de ces Journées, la communication
par affiches ; c?est
l?objectif
que nous nous fixons pour les Journées de Strasbourg
(27 - 30 octobre 1984).
Précisons qu?on entend par affiche un texte écrit (dimension
maximale
1,s m x 1 m), éventuellement
illustré
de dessins,
graphes, photos,... présentant
un sujet scientifique.
Nous invitons
donc tous les participants
que soit le niveau d?enseignement,
à faire
à ces Journées,
quel
:
a) des communications
par affiches sur le sujet de leur
choix en physique, chimie, physique appliquée,
informatique,...
Tous les sujets peuvent être abordés :
- articles
d?une
notion,
approche
théoriques
(présentation
pédagogique,...),
- textes de manipulations
(T.P.) et d?expériences
(cours),
- description
de matériel
facilement
réalisable
(appareil
de
démonstration,
de mesures,...),
- tests d?évaluation,
- textes de réflexion
sur 1?Histoire
des Sciences
ou l?Epistémologie,
- note bibliographique,
- compte rendu de P.A.E.,
- programmes
pour calculatrices
ou micro-ordinateurs,
- sciences physiques et société,
- sciences physiques et publicité,
- sciences physiques et arts (affiches, posters, timbres,...),
- bandes dessinées,...
Ces affiches seront exposées pendant toute la durée des Journees, un créneau horaire
étant prévu pour permettre
leur présentation et d?assurer la rencontre
entre leurs auteurs et les autres
participants
;
BULLETIN
DE L'UNION
b) des communications
durée (10 à 15 min) pouvant
nication par affiche ;
orales de même nature, de courte
compléter
par exemple une commu-
c) des démonstrations
des manipulations
concernant
la chimie
aussi bien dans
classiques ou techniques.
expérimentales
mettant
en ?uvre
l?enseignement
de la physique et de
les collèges
que dans les lycées
Nous lançons un appel à tous les collègues
poser une communication
ou une démonstration
Ecrivez à l?adresse
idée et en indiquant
la
participation
pour nous
définitif
des Journées
tiques nécessaires
pour
U.d.P.
Gérard
ci-dessous
forme que
permettre
et de vous
l?organisation
Section
971
DES PHYSICIENS
qui désirent
proexpérimentale.
en exposant brièvement
votre
vous souhaitez
donner à votre
de l?inclure
dans le programme
envoyer les instructions
prade ces communications.
Académique
de Strasbourg,
BOECKEL,
5, rue Waldtenfel,
Wolfisheim
67200 Strasbourg.
III)
ORDRES
DE
MISSION.
L?attribution
des ordres de mission
relève actuellement
du
chef de la mission académique
à la formation
continue.
La situation est très variable
d?une académie
à l?autre,
mais dans l?ensemble le nombre d?ordres de mission attribués
aux Journées 1983
était en forte diminution
par rapport
aux années précédentes.
Les responsables
des Sections Académiques
ont demandé
aux
chefs de mission l?inscription
des Journées de Strasbourg
dans le
programme
académique
de formation
1984-1985.
Les collègues
désirant solliciter
de :
prévoyant
de participer
aux Journées
1984 et
un ordre de mission son,~ priés, dès début juin,
-
faire une demande,
de mission
de leur
après) ;
-
prévenir
le responsable
académique
informé
du résultat
des demandes
dans les pages roses du B.U.P.).
adressée
académie
par
(on
voie hiérarchique
au chef
pourra
utiliser
la fiche cide 1?U.d.P. qui se tiendra
(adresse
du responsable
BULLETIN
Journées
DE L?UNION
DES
1369
PHYSICIENS
Nationales
de l?Union
des Physiciens
STRASBOURG
: 27, 28. 29, 30 octobre
1994
Les Journees Nationales
se dérouleront
au Campus Universitaire de Strasbourg-Esplanade,
dans les locaux de la Faculté des
Sciences Humaines
et ceux de 1?Ecole Nationale
Supérieure
des
Arts et Industries,
sous la présidence
Strasbourg,
et
de M.
BURIE,
de
M.
Inspecteur
Recteur
DEYON,
Général
de l?Académie
de Sciences
de
Physiques.
PROGRAMME
Vendredi
26 octobre 1984 :
A partir de 18 heures, accueil
en gare
de Strasbourg.
Samedi 21 octobre
1984 : A la faculté des Sciences
22, rue Descartes, Amphithéâtre
Cavailles.
9h
Ouverture
9 h 30 Projection
Humaines,
des journées.
du film
« Puissances
de dix, ».
10h
elémentaires
et les idées
Conférence : « Les particules
actuelles sur l?unification
des forces physiques », par
M. J. LEITE-LOPE~,
professeur
à l?Université
L.-Pasteur.
12 h
Repas au Restaurant
14h
de la physique
Conférence
: « Aspects expérimentaux
des particules
», par M. M. SCHAEFFEI~,
chargé
de
recherches,
responsable
du groupe L.E.P. au Centre
de Recherches
Nucléaires
de Strasbourg.
16h
Conférence
: « Quelques
atomique », par M. J.-P.
au Centre de Recherches
Universitaire
Esplanade.
études
actuelles
du noyau
maître de recherches
Nucléaires
de Strasbourg.
VIVIEN,
18 h 30 Réception à l?Hôte1 de Ville,
gation de congressistes.
place Broglie,
d?une
délé-
Dimanche 28 octobre 1984 : (même lieu).
8 h 30 Conférence : « Des particules
aux molécules
: l?organisation de la matière dans l?univers », par Mm A. ACKER,
astrophysicienne,
professeur
à l?Université
L.-Pasteur.
10 h30
Conférence
: «Du désordre
des molécules
à l?ordre
supramoléculaire,
et aux structures
visibles », par
M. G. OURISSON,
membre de l?Académie
des Sciences,
professeur
à l?Université
L.-Pasteur.
1370
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
12 h 30 Repas au Restaurant
Universitaire
Esplanade.
14 h30 Demi-journée
placée sous la responsabilité
de I?Inspection Générale de Sciences physiques qui a retenu
le thème : « La Mécanique
du Collège à la Terminale
».
20h
Soirée Concert : « Orgue, trompette
et lumière » à la
cathédrale
de Strasbourg.
Lundi
29 octobre
et Industries,
1984 : A 1?Ecole Nationale
Supérieure
24, boulevard
de la Victoire.
pédagogiques
(liste
des Arts
8 h 30
Ateliers
page 1377).
10 h 30
Exposition
de matériel
laires et scientifiques.
13 h
Repas
14h
Suite de l?exposition
de matériel.
Communications
orales ou par voie d?affiches ; démonstrations
expérimentales
(explications
page 1379).
A partir
de 16 h :
Séance de Planétarium
sur inscription
notre étoile ».
- Visite de 1?Ecole Nationale
Supérieure
Industries.
didactique,
au Restaurant
Universitaire
des éditions
Esplanade.
-
Enfin,
20h
: « Le Soleil,
des Arts
et
dans le cadre de la commémoration
du cinquantenaire
de la découverte
de la radioactivité
artificielle,
une
exposition
présentée
par le Palais de la Découverte
sera ouverte dans une salle voisine, toute la journée.
Banquet
Mardi JO octobre
Amphithéâtre.
9h
sco-
au Pavillon
Joséphine
Soirée dansante
1984 : A l?E.N.S.
Compte
rendu
Chimie,
des Ateliers
10h
Assemblée
13h
Repas au Restaurant
13 h45
Départ
Retour
A titre
indicatif,
direction
direction
direction
à l?orangerie.
rue B.-Pascal,
Grand
pédagogiques.
Générale.
Universitaire
pour les visites (liste
prévu : 17 h pour les
18 h pour la
19 h pour la
horaire
PARIS
LYON
LILLE
des
:
:
:
Esplanade.
page 1380).
visites 2 à 9,
visite
1,
visite 10.
principaux
trains
17 h 15 - 19 h 16,
18h25-20h12,
17 h 25.
en soirée
:
BULLETIN
DE
RESUME
L?UNION
:DES
DES
PHYSICIENS
1371
CONFERENCES
Comment
progresse
actuellement
matière et de sa structuration
?
notre
Les conférences
donneront
quelques
tion, à divers niveaux, des particules
dites
tures supramoléculaires,
en passant par
cules ; on verra une fois encore comment
grand se rejoignent,
encadrant
ce qui
l?homme.
compréhension
de la
aperçus sur cette quesélémentaires
aux strucles noyaux et les moléle très petit et le très
se passe à l?échelle
de
Elles mettront
aussi en évidence la multiplicité
des pôles
scientifiques
de Strasbourg,
axés souvent sur l?étude de frontières
qui sont en même temps des carrefours.
LES PARTICULES
ELEMENTAI?RES
SUR L?UNIFICATION
DES
par
à l?Université
ET LES IDEES ACTUELLES
FORCES
PHYSIQUES
José LEITE LOPE~,
Professeur
Louis-Pasteur
de Strasbourg.
La recherche
de l?unité de la matière a dominé la physique
à partir de l?acceptation
de la théorie atomique
et la découverte
de l?électron
à la fin du siècle dernier.
Dans les années 1950, le nombre
de particules
élémentaires
observées comprenait
l?électron,
le muon et ses deux neutrinos
et les deux antiparticules
associées, le photon, les nucléons,
les
pions, les particules
étranges,
baryons
et mésons, et les résonances. La prédiction
théorique
et la découverte expérimentale
de
ces particules
ont accompagné
le développement
des deux grandes
théories
physiques
de ce siècle, la mécanique
quantique
et la
théorie de la relativité.
On présentera
les fondements
de ces théories
et les idées
?d?invariance
de jauge. On discutera
les champs de Yang Mills et
les tentatives
d?unification
entre les interactions
faible et électromagnétique
qui ont abouti à la théorie
de Salam, Weinberg
et
Glashow. La théorie des interactions
fortes, la chromodynamique,
doit être unifiée dans un schéma plus large, avec le modèle de
Salam-Weinberg.
La théorie d?unification
des interactions
faible,
électromagnétique
et forte prédit une instabilité
du proton. L?inclusion des forces de gravitation
dans ces théories est le sujet de
la théorie de la supergravité.
Les corpuscules
fondamentaux
sont
actuellement
les quarks et les leptons, les bosons de jauge et des
1372
BULLETIN
DE
L?UNION
DES PHYSICIENS
hypothétiques
bosons scalaires générateurs
de masse. En plus du
graviton,
prédit
par la théorie
d?Einstein,
les théories
supersymétriques
prédisent
des particules
nouvelles
dont la détection
expérimentale
constitue
le programme
des laboratoires
de physique de hautes énergies avec des grands accélérateurs.
ASPECTS EXPERIMENTAUX
DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES
Chargé
Responsable
par Michel SCHAEFFER,
de recherches
au C.N.R.S.
du projet L.E.P. de Strasbourg.
La physique
des particules,
fille de la physique
nucléaire,
petite-fille
de la physique atomique,
est la manifestation
actuelle
d?un rêve séculaire
: accéder au (x) constituant
(s) ultime (s) de
la matière.
Recherche
de pointe, la physique des particules
est une activité complexe
qui connaît une évolution
très rapide,
tant au
niveau des concepts qu?au niveau des technologies
mises en jeu.
La raison fondamentale
de cette irrésistible
évolution
vers
la complexité
est liée à la nécessité d?accéder
à des dimensions
de plus en plus petites (< 10-16 cm) ce qui suppose inévitablement la mise en jeu d?énergies
de plus en plus élevées, nécessitant des volumes sensibles de plus en plus importants
= 1000 m3
pour un spectromètre
L.E.P. tel que Delphi).
L?augmentation
de
la taille des volumes
sensibles
entraîne
celle du nombre
des
canaux électroniques,
ce qui pose inévitablement
le problème
de
la miniaturisation
de l?électronique,
de la sophistication
des
logiques
de décision (trigger)
et du traitement
de l?information
soit en temps réel (on line) ou en temps différé (off line).
Le bilan de la physique
des particules
est impressionnant
:
à l?heure actuelle la matière est comprise jusqu?à une échelle de
lO-l6 cm, correspondant
à une énergie et une température
caractéristiques
de 100 GeV et 101s K. Ceci nous donne directement
accès aux conditions
qui régnaient
10-32 secondes après le « bigbang », quand l?Univers
avait la taille d?une orange.
Travail de collaborafion
entre individus,
entre instituts,
entre
continents,
la physique des particules
préfigure
probablement
la
science de demain : concentration
en hommes et en moyens, alliage des concepts les plus hardis et des technologies
les plus
sophistiquées.
BULLETIN
DE L'UNION
QUELQUES ETUDES ACTUELLES
au Centre
DES PHYSICIENS
1373
DU NOYAU ATOMIQUE
par Jean-Pierre
VIVIEN,
Maître de recherches
de Recherche Nucléaire
de Strasbourg.
L?étude de la matière nucléaire
en rotation
rapide
connaît
depuis quelques
années un développement
intensif
tant sur le
plan théorique
que sur le plan expérimental.
Cette évolution
dans la physique du noyau atomique
est intimement liée à l?étude des réactions
nucléaires
entre ions lourds.
Une collision entre deux noyaux massifs permet en effet de créer
des systèmes composés métastables
ayant des moments
angulaires extrêmement
élevés (de l?ordre de 70 h). Lors de la formation
de ce noyau composé, un processus
d?équilibre
rapide
répartit
toute l?énergie
disponible
sur l?ensemble
des nucléons.
Ce système hautement
excité, libère dans un premier
temps une
partie
de son énergie
en émettant
des particules
ainsi que
quelques
rayonnements
gamma de forte énergie, ceci sans pratiquement
perdre de moment
angulaire
: le noyau atteint ainsi
un état hautement
ordonné
où pratiquement
toute l?énergie
est
contenue
dans son mouvement
de rotation.
Lorsque l?on parle de corps en rotation,
nombre
d?exemples
classiques viennent à l?esprit. Que ce soit une toupie, la terre, ou
une galaxie, on saisit de façon intuitive
certaines
des propriétés liées à la rotation.
Le mouvement
du système nucléaire
peut
être celui d?un corps rigide tel la toupie ; il peut aussi présenter
les caractéristiques
d?un flux irrotationnel
de matière
comme
dans le cas d?un liquide contenu dans un récipient
en rotation.
En tant que rotateur,
le noyau inclut -ces propriétés
mais il est
cependant
plus complexe qu?un rotor classique. C?est un système
quantique
fini constitué
d?un petit nombre
de nucléons.
Le fait
d?être quantique
limite les modes de rotation
du noyau. Le petit
nombre
de constituants
d?un noyau et leur arrangement
en
couches implique
des effets d?état de particule,
effets non collectifs importants.
Deux états extrêmes
de la matière nucléaire
peuvent donc être considérés.
Dans l?un de ces états, l?ensemble
des nucléons agit de façon cohérente
et l?on observe des bandes
collectives,
analogues
aux bandes de rotation
ou de vibration
constituant
les spectres
d?émission
des molécules.
A l?autre
extrême,
quelques
nucléons
individuels
assument
la totalité
du
moment
angulaire
du noyau. Dans la réalité, ces deux aspects
peuvent soit se côtoyer, soit interférer.
Dans son état fondamental,
la matière nucléaire
est dans un
état dit « superfluide
» correspondant
à l?appariement
des nucléons par paires couplant
à zéro leurs moments
angulaires
in-
1374
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
trinsèques.
L?effet de la rotation
sur ces paires de particules
se
traduit par un phénomène
de découplage.
Comme en mécanique
classique, la force de Coriolis
agit sur les nucléons
et tend à
aligner le moment angulaire
de ces nucléons suivant l?axe de rotation du noyau. A une certaine
fréquence
de rotation,
on doit
assister à la disparition
totale de l?appariement
des nucléons, ceci
correspondant
à un changement
de phase de la matière nucléaire
analogue à l?effet Meissner
de la disparition
de la supra-conductivité en présence d?un champ magnétique
externe.
A forte vitesse de rotation,
d?autres phénomènes
comme les
changements
de forme peuvent être escomptés. Il est connu qu?à
faible vitesse de rotation,
les objets célestes présentent
comme
la terre une déformation
aplatie (« oblate >>). A partir
d?un certain moment angulaire
critique,
il est plus économique,
énergétiquement
parlant,
d?adopter
une forme allongée., Cet effet de
changement
de forme dit de Jacobi est responsable
de la formation des étoiles doubles. On peut, en physique
nucléaire
à haut
moment angulaire,
s?attendre
à un tel phénomène
: la recherche
d?états superdéformés
est l?un des points chauds actuels de la
structure
nucléaire.
DES PARTICULES
L?ORGANISATION
DE LA
AUX MOLECULES
MATIERE
DANS
par Agnès
à l?Université
:
L?UNI~VERS
astrophysicienne,
Professeur
Louis-Pasteur
de Strasbourg.
ACKER,
Basé sur des observations
et des théories astrophysiques,
un
scénario cosmique
explique
comment
la complexe
matière organique, support de la vie, a pu s?élaborer
dans l?Univers
au cours
de milliards
d?années.
Il est admis que, trois minutes après l?intense explosion
marquant la frontière
de la physique connue, la nucléosynthèse
primordiale
des noyaux d?hydrogène
et d?hélium
est faite à partir
des quarks surgis dès 10-a s. Puis, au fil de millions
et de milliards d?années, ces éléments légers sont transmutés
dans les creusets stellaires
en noyaux lourds, disséminés
peu à peu dans l?espace interstellaire
par les explosions
d?étoiles évoluées, de supernovae en particulier.
Les gaz lourds, brassés dans les tourbillons
éjectés par les
étoiles, se refroidissent
et s?associent
en molécules ; ce refroidissement est parfois si rapide que les molécules
se solidifient
sous
BULLETIN
forme de poussières
et à la conservation
DE L'UNION
interstellaires,
de complexes
1375
DES PHYSICIENS
sites favorables
à la formation
et fragiles molécules organiques.
C?est dans un nuage galactique
alourdi de poussières
et molécules organiques
que se forma, il y a environ 4,s milliards
d?années, le Soleil et son cortège de planètes. La matière
organique
détruite
dans le voisinage
solaire par l?énergie
de l?étoile Soleil
put se reconstituer
dans l?atmosphère
primitive
de la Terre,
par synthèses spontanées,
conduisant
entre autre à l?obtention
d?acides aminés biologiques.
Il reste à vérifier la polymérisation
et à comprendre
la transition
entre matière organique
inerte et
cellule vivante; pour que la parenté de l?homme
avec les étoiles
soit continue...
DU DESORDRE DES MOLECULES
A L?ORDRE SUPRAMOLECULAIRE,
AUX STRUCTURES
VWBLES
par Guy C~JRISSON,
Membre
de l?Académie
des Sciences,
Professeur
à l?Université
L.-Pasteur de Strasbourg..
L?objectif
de cet exposé est de montrer
comment
on peut
« comprendre
» intuitivement
la formation
spontanée
de grands
systèmes organisés
(par exemple 500 um) à partir
de molécules
simples. Les conséquences
pour les théories moléculaires
de l?origine de la vie seront aussi discutées.
Le cas le plus simple (c?est-à-dire
le plus spontanément
accepté) de création
d?ordre
visible
à partir
du désordre
moléculaire est la cristallisation.
Il n?en sera fait mention
que pour
référence.
Des molécules
comme celles des phospholipides
s?organisent
spontanément
dans l?eau, selon les cas, en couches superficielles
monomoléculaires,
en micelles,
en vésicules, en liposomes.
Ces
structures
supramoléculaires
découlent
de facteurs
« simples » :
forces intramoléculaires
influant
sur la conformation
de chaque
molécule,
forces de van der Waals intermoléculaires,
caractère
coopératif
de ces forces, liaisons hydrogène,
« forces hydrophobes
»
liées à la destruction
du réseau de l?eau liquide. On peut « sentir » comment
le jeu réciproque
de ces facteurs
conduit
à la
création
d?ordre à partir de désordre.
Une fois obtenue
objet plus ou moins
couche monolamellaire
rieur et un extérieur,
spontanément
une vésicule, c?est-à-dire
un
sphérique,
déformable,
limité
par une bide phospholipides,
sont définis un intédonc un gradient
d?organisation.
De nou-
1376
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
velles molécules
s?insérant
(spontanément)
dans cette structure
sont orientées ; c?est le cas du cholestérol,
abondant
dans toutes
les membranes
des êtres vivants pluri-cellulaires,
et dont le rôle
essentiel sera discuté : il agit comme un modulateur
des propriétés mécaniques
de la membrane,
qui devient
un matériau
composite.
En outre, la couche intérieure
et la couche extérieure,
différentes,
peuvent spontanément
inclure des teneurs différentes
de cholestérol
(coefficient
de partage
dépendant
du rayon et
du sens de la courbure !) Des molécules
plus complexes
(protéines) peuvent aussi, dans certaines conditions
structurales
(existence de domaines
hélicoïdaux
hydrophobes)
s?inclure
spontanément dans la paroi de la vésicule en s?orientant. L?élaboration
d?une structure
complexe
vectorielle,
où la destruction
entre
intérieur
et extérieur
s?accentue peu à peu par des phénomènes
spontanés
intuitivement
acceptables,
est l?une des conditions
d?élaboration
d?une partie du substrat
de la cellule vivante.
On discutera pour finir l?importance
de la séquence de cette
élaboration
pour l?obtention
de structures
visibles ; l?expérience
des cuisiniers
(béarnaise,
meringues,
etc.) est convaincante.
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
1377
ATELIERS PEDAGOGIQUES
Lundi 29 octobre
1984
A 1 : Réflexion sur les capacités que l?on cherche à évaluer dans le
second cycle, au baccalauréat.
Nous essaierons de définir les capacités que nous cherchons
à développer
dans le second cycle. Quelle part doit être attribuée à chacune d?elles dans l?ensemble
de nos contrôles
et
dans l?épreuve
écrite actuelle
des baccalauréats
scientifiques ? Nous en discuterons
en analysant
divers sujets.
A 2 : Collège et informatique.
Nous nous proposons
d?étudier
les points suivants :
- étude du point de vue pédagogique
des logiciels existants
- échange d?expériences
personnelles
;
- perspectives
d?avenir.
;
A3 : Spécificité
de l?enseignement
technique;
projet
d?enseignement modulaire;
réforme des B.T.S.
En liaison avec le travail de la commission
sur l?enseignement technique au sein de l?U.d.P., les points suivants seront
traités :
- les difficultés
de recrutement
des secondes technologiques, les causes et les moyens pour y remédier;
- l?avenir des baccalauréats
de techniciens
;
- bilan de l?enquête
sur la place de la physique
et de la
physique appliquée
en T.S.
A 4 : Traitements
numériques
des données expérimentales
et de
leur gestion.
Cet atelier fait suite à celui des Journées de Montpellier
qui
traitait
de l?acquisition
des données. Seront abordés cette
année la gestion et les divers traitements
de données entrées dans le microordinateur
au clavier ou par l?intermédiaire d?une interface.
A5 : La chimie autour de nous.
Présentations
par les participants
documents,
d?affiches
sur le thème
LA CHIMIE
AUTOUR
DE NOUS.
de manipulations,
:
de
1378
BULLETIN
Pour
(mai
L?UNION
DES
PHYSICIENS
tout renseignement,
se reporter
1984), pages 1125-1126.
A 6 : L?astronomie
,
DE
dans llenseignement
au
des sciences
B.U.P.
no 664
physiques.
L?atelier astronomie
fera le point :
- sur la place actuelle de l?astronomie
dans l?enseignement,
de la maternelle
au baccalauréat
;
- sur les moyens aujourd?hui
disponibles
;
- sur la formation
des enseignants
en ce domaine.
A7 : Chimie et Collège.
Les éléments abstraits
du programme
de chimie des collèges : notion
de réaction
chimique,
notion
d?élément
chimique,
structures
atomique
et moléculaire
de la matière
sont délicats à enseigner
et conceptuellement
difficiles
à
analyser pour les élèves.
Peut-on dégager les problèmes
qu?ils posent à travers l?expérience de plusieurs
années d?enseignement
? Quels remèdes
faut-il apporter ?
BULLETIN
DE L'UNION
COMMUNICATIONS
DES PHYSICIENS
1379
ECRITES ET ORALES
Le Bureau National
et la Section académique
de Strasbourg
souhaitent
que les collègues de l?enseignement
secondaire
puissent
s?exprimer
à l?aide
de communications
écrites,
orales
OU de
démonstrations
expérimentales,
lors des Journées U.d.P. 1984.
Il s?agit de présenter
des affiches (posters)
que l?on écrit à
l?avance (dimension
maximale
: 1,5 m x 1 m), que l?on peut illustrer par des dessins, schémas, photos, etc.
Tous les sujets peuvent
être abordés {approche
théorique
d?un problème
pédagogique,
texte de manipulation,
réalisation
de
matériel
pratique
et facile à fabriquer,
programme
pour microordinateurs
et calculatrices,
mise au point bibliographique,
etc.).
Ces affiches seront exposées pendant la journée
du lundi 29 octobre ; un créneau horaire
est prévu pour permettre
un échange
fructueux
entre leurs auteurs et les participants
du Congrès.
De plus, nous pensons que les communications
orales (15 min
environ)
ou des démonstrations
expérimentales
(durée
équivalente) peuvent compléter
une communication
par affiche.
N?hésitez
pas ! Les contributions
que nous vous demandons
concernent
l?enseignement
de la physique
et de la chimie aussi
bien dans les collèges que dans les lycées classiques
et techniques. Ne soyez pas modestes !
Ecrivez aux adresses suivantes, en exposant brièvement
votre
intention
(titre
+ un résumé de 10 lignes maximum),
afin de
pouvoir insérer votre proposition
dans le programme
des Journées
et de vous envoyer les instructions
pratiques
nécessaires.
Adresser vos projets de communications
:
* pour la physique
:
à J.-C. HERPIN,
29/3, rue Gallieni,
92240 Malakoff.
* pour
la chimie :
à A. DURUPTHY,
La Sabaudia,
Date limite
d?envoi
117, rue Sully,
83130 La Garde.
de vos contributions
le 13 octobre 1984.
:
1380
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
Liste des visites
V 1 Centre de Recherche Nucléaire de Strasbourg-Cronenbourg.
- Accélérateur tandem de type Van de Graff 18 MeV.
- Laboratoire de Chimie Nucléaire (retour : 18 h ).
V 2 Ecole d?application des Hauts-Polymères. Centre de Recherche sur les macromolécules.
V 3 Laboratoire de Spectroscopie et du Corps Solide. Centre de
données stellaires et Observatoire de Strasbourg.
V 4 Entreprise « TELIC-ALCATEL » ; conception et assemblage de
centraux téléphoniques électroniques.
V 5 Entreprise « BACO » ; conception et assemblage de disjoncteurs, commutateurs et auxiliaires de commande.
V 6 Imprimerie « ISTRA
V 7 Brasserie
« PÊCHEUR
».
».
V 8 Visite touristique de Strasbourg en autocar (conseil de
l?Europe, port du Rhin).
V 9 Visite guidée à pied du Vieux Strasbourg (quartier de la
Cathédrale et de la Petite France).
V 10 Route du vin : Ribeauvillé, Riquewihr, Kientzheim, Kayserberg (retour : 19 h).
BULLETIN
DE
L?UNION
RENSEIGNEMENTS
DES
PHYSICIENS
1381
PRATIQUES
Hébergement.
- La réservation
des hôtels est gérée par le
service
« Organisation
des Congrès » du Palais des Congrès,
67082 Strasbourg
(Tél. (88) 35.03.00 - Télex : 890.68). La fiche no 2,
les arrhes (100 F) et les frais de réservation
(30 F) sont transmis par nos soins à cet organisme
qui vous confirmera
directement la réservation
en vous adressant
un bon hôtel. Le solde
sera réglé d$-ectement
à l?hôtel.
Si la confirmation
prévenir.
Les hôtels
Accueil. hall d?arrivée),
samedi matin.
ne vous était
sont situés
à proximité
pas parvenue
le 15-10, nous
de la gare.
Un service d?accueil
sera assuré à la gare (côté
vendredi
soir entre
18 h et 24 h, ainsi que
Les congressistes
relatifs aux journées
le lieu du Congrès.
arrivant
à leur
vendredi trouveront
les documents
hôtel, les autres les prendront
sur
Transports.
- Un service de bus est prévu tous les matins
entre les hôtels et le Campus.
Le Campus Universitaire,
assez proche du centre-ville
(1,s km)
est desservi par les transports
urbains.
Repas.
versitaire
rents lieux
des tickets
ni reprise
ticket : 30
- Le repas de midi est prévu au Restaurant
UniEsplanade,
situé à proximité
immédiate
des diffédu Congrès. Il est indispensable
de prévoir
l?achat
(fiche no 1) au moment de l?inscription.
Aucune vente
ne pourront
être prévues au dernier
moment. Prix du
F boisson incluse.
Garderie.
- Une garderie
existe à 1?Esplanade.
Les personnes
accompagnées
d?enfants
à garder
sont priées
de signaler
la
demande de garderie sur la fiche no 4 (observation)
en indiquant
le nombre, les âges et les jours de garde.
1382
BULLETIN
FICHES
D?INSCRIPTION
DE L'UNION
(à
lire
- Les fiches 1, 2, 3 et 4, remplies,
tembre
1984
Ajouter
à l?envoi
de
remplir
les
sont à envoyer
avant
fiches)
le 25 sep-
67000 Strasbourg.
:
* un chèque
bancaire
ou postal,
PHYSICIENS
SECTION
ACADJ~MIQUE
bourg 175-81 V) d?un
fiche no 4 ;
montant
* une enveloppe
16 x 23 à votre
lettre 50 g (3,70 F).
Consignes
avant
à :
André ECKERT,
3, place de Bordeaux,
-
DES PHYSICIENS
libellé
à l?ordre
DE STRASBOURG
égal
au total
adresse
de : UNION DES
(C.C.P. Strasfigurant
sur la
et affranchie
au tarif
:
-
Dans tous les cas, renvoyez les quatre fiches ; si vous n?êtes
pas concerné par une rubrique,
ayez soin de la barrer.
-
Utiliser zwz ensemble de fiches par congressiste,
ou par couple ;
pas d?inscriptions
groupées de plusieurs
collègues.
-
Si votre inscription
est tributaire
d?un éventuel ordre de mission que vous avez -demandé, indiquez
sur la fiche no 1 qu?elle
est conditionnelle.
Nous vous demandons
dans ce cas de
confirmer
(ou d?annuler)
votre inscription
avant
le 13 octobre.
La réservation
définitive
dune chambre
et l?encaissement
de
votre chèque
seront différés
en attendant
votre confirmation. Toute annulation
plus tardive
sera régularisée
après le
congrès.
-
Demande d?ordre de mission : si elle n?a pas
se conformer
à la procédure
indiquée
dans
page 971 (avril 1984). Renseignez-vous
auprès
académique
ou auprès du chef de la mission
formation
continue.
encore été faite,
le B.U.P. no 663,
de votre section
académique
à la
?d?h?S?1
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: Ip.row
: sgyynos
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slay~g
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: NON
X
1384
BULLETIN
DE L'UNION
DE5
PHYSICIENS
Banquet :
Souhaitez-vous
participer
oui : 0
non
Votre
inscription
Etes-vous
-
Membre
ne participant
activités
du Lundi
nombre
conditionnelle
?
scientifiques
:
oui : 0
pas aux activités
oui : 0
non
: 0
: 0
non
oui
: 0
non : 0
: ?1
:
?
non
:
: 0
scientifiques,
nombre
:
oui
Prénom
U.d.P.
soir ?
de personnes
par des personnes
aux activités
si oui, NOM
-
: 0
est-elle
accompagné
participant
au banquet
mais à d?autres
de personnes
:
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*(aJqol30 of !p~mu) sal~s~A
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ap alqwou
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luaqs?p
lusu%dwom~
snoa sauuos.Iad sa1 os
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! alqovo
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?um~.m~~uo~d
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*@TII of *xw.u) UP
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.?.?.???.
62 Fpun~) (sals!ssaBuo3
a?alasy)
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: sauuosJad ap alqwou
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~1 e Jals!sse zalp?ytios snoa os
*(aJqoo30 (jz !Puy) LU?l~.4V~?UV~d
: aynp
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ap aJqwou
Isa a113 os -
: a$!my Isa alIa is -
i av.u
: amagdxa,p
aun no uopm~unumo~
aun allc?J zaqs?p snoa os
*(aitqol30 62 ipunl) sa~v.40 no sa~fm? suo~n+,muuo~
.?..?....... mod
sauuowad
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sauuowad
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........?.?. .u -ragale
: x!oy~
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alloA
zanb!puy ?gyug
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md sluEd!ylr?d
ap alqruou
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sala snoA !s sauuoslad ap alqwou
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SUE~ lagale,
ap ol?u.mu a[ lut?llod
ua x!oq~ agoa zanb!puI
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uogd~msu~,p
..............................................
SXl
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~ucum~sa~
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.........
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...........................
uo!~d!mu!,p
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68El
sgoira
.w eaurm
-
: mON
S!eul j
NOINn,?
3<1 NIEITIfM
8ûe Année
- No 677
Publication
mensuelle
Octobre
1985
Bulletin
del?Union
desPhysiciens
Association
de professeurs
de Physique
et de Chimie
Les conférences
des journées
de Strasbourg
(1984)?
Les particules
élémentaires
et l?unification
des interactions
physiques
Professeur
1. LES
THEORIES
FONDAMENTALES
par J. LEITE-LOPES,
à l?Université
Louis-Pasteur,
Strasbourg.
DE
LA
PHYSIQUE.
Trois
théories,
découvertes
dans la première
moitié
siècle, sont la base de la physique
actuelle
: la théorie
relativité,
développée
à partir
de 1905, la théorie
relativiste
gravitation
(ou relativité
générale)
née en 1915 et la théorie
tique, cristallisée
en 1925.
La théorie
quantique
nucléaire,
de la physique
est la base de la physique
de la matière
condensée,
de ce
de la
de la
quan-
atomique
et
de la chimie.
La théorie
quantique
plus la théorie
de la relativité
constituent la mécanique
quantique
relativiste,
la théorie
quantique
des champs, fondement
de la physique
des particules
élémentaires,
de la théorie
des champs
de jauge et des modèles
d?unification
des forces fondamentales.
de M. le Professeur
,(*) N.D.L.R.
: Le texte de la conférence
intitulé
« Quelques études ?actuelles des noyaux atomiques
:
le comportement
du noyau à haut moment
angulaire » n?a pu être
publié dans ce bulletin
faute de place. La publication
en est reportée
à un bulletin
ultérieur.
J.-P. VIVIEN
2
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
L?astrophysique
et la cosmologie
nucléaire,
à la physique
des particules
de la gravitation.
Table
THEORIES
FONDAMENTALES
PHYSICIENS
ont recours
à la physique
et à la théorie
relativiste
l
DE
LA
physique
théorie
quantique
chimie
(non-relativiste)
PHYSIQUE
atomique
et moléculaire
quantique
physique
matière
nucléaire
condensée,
etc.
électrodynamique
théorie
de la relativité
théorie
classique
des particules
théorie
des champs et
à hautes
quantique
energies
des champs
electrodynamique
théorie
quantique
t théorie
de la
relativité
interactions
faibles
interactions
fortes
particules
champs de jauge
modèles
théorie
relativité
quantique
t théorie
t théorie
de la
cosmologie
de la gravitation
II. LE BUT DE LA PHYSI,QUE
d'unification
astrophysique
ET LES THEORIES
UNITAIRES.
Le but de la physique
est la description
de larges classes
de phénomènes
basée sur un petit
nombre
d?idées
et postulats
simples.
Ces idées, ces postulats
et leurs conséquences
constituant une théorie,
donnent
lieu à des représentations
intuitives,
à des images
qui contribuent
d?une
manière
essentielle
à la
compréhension
de la classe considérée
d?événements
; sa description quantitative
est acquise
dans un formalisme
mathématique.
Un niveau
supérieur
de compréhension,
d? « explication
», on
l?atteint,
en physique,
chaque fois que deux théories
différentes
BULLETIN
DE L?UNION
DES PHYSICIENS
3
sont unifiées,
lorsqu?on
s?aperçoit
que deux
classes
de phénomènes
apparemment
sans
rapport
l?une
avec
l?autre,
ont un&
liaison
intime
et constituent
plutôt
deux
sous-classes
d?un ensemble
plus vaste
d?événements
décrites
par une seule théorie
plus large, unitaire.
Les
résultent
grands
progrès
de la physique
de ces unifications.
le
long
de
son
histoire
NEWTON en 1686 identifia
la force
de gravité
que la Terre
exerce
sur les objets
terrestres
avec la force
gravitationnelle
entre deux corps
quelconques
dans l?Univers.
Et avant lui, GALILÉE
identifie
l?espace
physique
où sont les corps
célestes
avec l?espace
ouvert
de la géométrie
euclidienne
et ainsi
brisa
le cosmos
fermé
d?ARISTOTE.
Eu 1855, les équations
découvertes
par MAXWELL
ont montré
que le champ
électrique
et le champ
magnétique
sont deux faces
d?une seule entité physique
et que les ondes de lumière
sont des
ondes électromagnétiques.
En l?année
1905 la théorie
de la relativité
temps
et l?espace
tri-dimensionne1
ordinaire
continuum
à quatre
dimensions,
l?espace-temps
scène de la matière
et des événements.
a révélé
que le
sont
parties
d?un
de MINKOWSKI,
En 1915, EINSTEIN
postula
que le champ
de gravitation
est
décrit
par le tenseur
de la métrique
d?un espace
de RIEMANN
à
quatre
dimensions
; il a ainsi unifié la dynamique
gravitationnelle
avec la géométrie.
Et en l?année
1924, Louis
DE BROGLIE affirma
que le comportement
quantique
de la lumière,
d?après
lequel
le photon
n?est
ni une particule
classique
ni une onde classique,
est aussi
une
propriété
de la matière,
de tous les corpuscules
matériels.
Des travaux
de DE BROGLIE et SCHR~DINGER,
de HEISENBERG,
BORN, JORDAN et de DIRAC est née la mécanique
quantique
qui
décrit
l?état
d?un système
physique
par un vecteur
d?un espace
de HILBERT,
qui obéit
à une équation
d?évolution
temporelle
découverte
par SCHRODINGER.
Les grands
progrès
en physique
dans les derniers
résultent
des efforts
développés
pour
une unification
fondamentales.
III. LE PRINCIPE
DE LA RELATIVITE
VARIABLES
DE CHAMP.
ET LA
Pendant
longtemps,
depuis
les spéculations
grecs, on a distingué
deux notions
fondamentales
plation
du monde
physique
: les corps,
les
quinze
ans
des forces
CLASSIFICATION
DES
des philosophes
dans la contemobjets
siège de
BULLETIN
4
DE L'UNION
DES PHYSIClENS
la matière
été décrit
- et le mouvement
de ces corps. Le mouvement
a
pour la première
fois correctement
par GALILÉE et
NEWTON. Dans l?équation
de NEWTON interviennent
deux concepts,
celui de masse - associé à la matière
- et celui de force - associé au changement
de mouvement.
Si la masse est une propriété
donnée
d?un
est déterminée
qui l?engendre
corpuscule,
la force F dans l?équation
de NEWTON
par l?équation
de POISSON pour le potentiel
+,
à partir
de la densité
de la matière
p :
Table
DUALITE
MATIERE
II
- FORCE
EN MECANIQUE
1
I
I
Matière
Force
Ce dualisme
matièreforce
est également
la base de la
théorie
classique
de MAXWELL-L? RENTZ puisque
l?équation
de mouvement
d?un électron
classique
est déterminée
par la force de
LORENTZ qui est à son tour
déterminée
par le champ
électromagnétique
engendré
par l?électron.
Table
Ill
DUALITE
MATIERE
EN THEORIE CLASSIQUE
- FORCE
DE LORENTZ
$.È
ïjxH
= cp
sd=;
' at
p(x)
= e S3(X
j(x)
= e;
63(2
- i
(t))
- -s (t))
BULLETIN
DE L'UNION
5
DES PHYSICIENS
Cette dualité
est encore présente
en mécanique
quantique
:
d?un côté l?équation
de SCHRODINGER ou l?équation
de DIRAC pour
un électron
plongé
dans un champ
électromagnétique
et d?autre
part les lois de MAXWELL régissant
le champ
électromagnétique
de l?électron.
Un pas vers l?wzification
des deux concepts
est franchi
en
théorie
quantique
des champs
: les particules
sont des quanta
d?un champ et cette variable
est considérée
comme
un opérateur
qui obéit à certaines
règles de commutation
et à certaines
équations d?évolution
temporelle,
les équations
relativistes.
La dualité
se transforme
donc en une pluralité
de champs.
La loi la plus importante
en théorie
des particules
élémentaires est le principe
de relativité.
Il établit
que les lois de la
physique
ne dépendent
pas du choix de l?origine
du référentiel
attaché
au laboratoire
et du temps ; elles ne dépendent
pas non
plus
de l?orientation
spatiale
des axes du référentiel
ni de
l?état
de mouvement
rectiligne
et uniforme
du laboratoire.
Si
XV, !u = 0, 1,2,3
désigne les trois coordonnées
xl, x2, x3 d?un point
de l?espace
dans le référentiel
de notre
laboratoire
où un
1
événement
se produit
à l?instant
=
t
-
x0, et si X?P sont
les
C
coordonnées
de
laboratoire
est
port à vous, il
de coordonnées,
ce point dans le référentiel
d?un Martien
dont le
en mouvement
rectiligne
et uniforme
par rapy a alors une relation
entre les deux ensembles
linéaire
et non-homogène,
de la forme :
3
x?p
=
UP
+
2: l,v
V=O
X?
(1)
où lyp sont seize nombres
réels et ap est un quadrivecteur.
Le
principe
de relativité
impose
la condition
suivante
: en admettant que le Martien
vienne
dans votre direction,
si à l?instant
précis t, où son référentiel
coïncide
avec le nôtre une onde lumineuse est émise au point
x - un phénomène
observé par vous
et par le Martien
vous verrez que cette onde se propage
comme
une surface
sphérique
avec vitesse
c et avec centre
au point
2 de sorte
tant tu, on aura :
que
(T-j+
Le Martien
comme
coïncidait
que :
alors
une surface
lorsqu?elle
=
c*(rx-
verra
également
sphérique
dont
avec le point
2 quand
atteint
le point
y
à l?ins-
ry)2.
que cette
le centre
il est passé
onde
se propage
est le point
ici -
z-
qui
de telle
sorte
BULLETIN
6
DE L'UNION
(2-j+
DES PHYSICIENS
= C2(t?x-t?y)2.
Cette contrainte
interdit
la mise en évidence
de la constance
de la vitesse u du laboratoire
par le Martien
et détermine
les
du groupe
de POINCARÉ
relations
(1) entre x et x? 2 équations
ou groupe
de LORENTZ. inhomogène.
L?invariance
de la forme
quadratique
:
(x?p (somme
sous-entendue
x0 = no,
entraîne
nombre
y?!J) (x?, -
Y?J
= (X? -
Ya)
Y?) (xm -
sur ,u et sur a, de 0 à 3) où :
x2 = --X2,
x1 = -xl,
xj
des conditions
sur les coefficients
de tels coefficients
indépendants.
=
-x3
1,~ et réduit
à six le
IL?étude
du groupe des transformations
de POINCARÉ et de ses
représentations
donne
lieu
à la détermination
de la nature
mathématique
des champs
physiques.
Dans une théorie
qui obéit
au principe
champs
ne peuvent
être représentés
que :
de
-
telles
par des fonctions
scalaires
tion (1) étant posée :
KJZ(x) c?est-à-dire,
?<p?(X?)
-
par
des quadrivecteurs
-
par
des spineurs
où Dab est une
colonnes ;
de Dirac
-
par
des tenseurs
du
-
par
des spineurs
vecteurs
V?al?
et ainsi
supérieur.
de
suite,
par
=
(x?)
des
a =
kb?i?b
l?équa-
et
quatre
1,2,3,4,
(X)
matrice
second
t?!Jv (x?)
que,
:
Q~(x),
(x?)
certaine
les
= ?rp (x) ;
+V(X)
iV?a
relativité,
à quatre
ordre
lignes
:
= l,p 2B? tafi (x) ;
v,p(x)
=
1~~ Dab
tenseurs
:
îlrb?
(X)
et
des
spineurs
d?ordre
BULLETIN
Voici
les équations
1) Champ
scalaire
L?équation,
la forme
:
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
relativistes
des principaux
s?appelle
l?équation
(0 + i-4
dalembertien
de KLEIN-GORDON,
cp (x)
s?écrit
a, E d?une
21 Champ
vectoriel
Le champ
+V(X),
(2)
= 0
E a, aP
:
scalaires
?cp.
ou pseudoscalaires
(spin
libre.
p = 0,1,2,3
+,cr*)
obéit
W(X)
à l?équation
:
= 0
:
a, g+(x)
équations
sont
= 0.
équivalentes
à l?équation
de PROCA :
a, ~fl?? + v2 +V = 0
avec
de
P = 0,1,2,3
#axv ?
longueur
(0
Ces deux
est
,a
m est la masse des particules
zéro) définies
par le champ
et à la condition
:
:
0 = ;a,2-(a,)2-(?a2)2-(a,)2
et .p est l?inverse
champs
libre.
qui
où l?opérateur
7
(3)
:
31 Champ
électromagnétique
Les équations
libre.
de MAXWELL
a,
A0 = rp est le potentiel
teur ; le champ électrique
sont
Fi?
contenues
l?équation
= 0
Fw = <iP?AP -
& AV
soi-disant
est :
scalaire,
Ek = Fok,
dans
k =
1,2,3
:
(4)
(4 a)
Â
le potentiel
vec-
8
BULLETlN
et le champ
DE L'UNION
magnétique
est :
B3 E FI2 = 3Al-alA2
c?est-à-dire
DES PHYSICIENS
= i3,A2-a2A1,
etc.
:
B, =
Ejkl Fk?
ou :
Les équations
la relation
:
de MAXWELL
s?expriment
q Aw-,&(a,Av)
en termes
de AP par
= 0
Cette équation
n?a des solutions
tion sur AP, par exemple
:
que si l?on
impose
une condi-
a, AY = 0.
41 Champ
spinoriel
libre.
Les particules
avec masse
l?équation
de DIRAC qui met
quatre composantes
:
v(x)
m et spin 1/2 sont
en jeu un spineur
=
1
et certaines
y3. L?équation
matrices
s?écrit
{i(vOao
ou
+
à quatre
:
~?4
+
~~82
Wl
(x)
-v2
(xl
v3
(x)
v4
(x)
lignes
+
décrites
II, (x)
par
avec
1
et quatre
colonnes,
y3a3)-K}~(x)
=
yo, y*, y*,
0
:
(i.y?a,-K)
w(x)
= 0,
K = z.
(5)
h
(sommation
sur CL de 0 à 3 sous-entendue).
Si l?on représente
par (~~)~b, a, b = 1,2,3,4
les éléments
de matrice
des y et par Q,(X)
les composantes
du spineur,
a = 1,2,3,4,
l?équation
ci-dessus
est un système
de quatre
équations
:
(i(.Y?)aba,-KBnb)~b(n)
(sommation
sur
b de 1 à 4).
=
0,
a =
1,2,3,4
BULLETIN
IV. LES INTERACTIONS
ELEMENTAIRES.
DE L'UNION
9
DES PHYSICIENS
FONDAMENTALES
ET
LES
PARTICULES
Actuellement,
si l?on revient
à la dualité
matière-force,
on
pense qu?il n?y a que quatre types de forces auxquels
se réduisent
toutes les actions
dans l?univers.
Ce sont les interactions
fondamentales
: la gravitation,
l?interaction
faible, l?interaction
électromagnétique
et l?interaction
forte.
Toutes
de lumière,
créent
un
les particules,
toutes les formes
par exemple),
subissent
l?action
champ
gravitationnel.
d?énergie
(un rayon
de la gravitation
et
Les interactions
faibles
sont
les responsables
de l?émission d?électrons
par les noyaux
radioactifs
la radioactivité
bêta - dont le processus
fondamental
est la désintégration
du
neutron
:
qui se transforme
en proton
d?une
particule
ultra-légère,
neutrino
électronique.
avec l?émission
d?un électron
et
peut être de masse
nulle,
l?anti-
Les interactions
électromagnétiques
sont dues à la charge
électrique
et les interactions
fortes sont responsables
des forces
qui maintiennent
les protons
et les neutrons
dans les noyaux
atomiques.
Les interactions
fortes
qui apparaissent
comme
sables des forces
nucléaires
sont les forces
entre
tuants
des hadrons,
les soi-disant
quarks.
Les particules
élémentaires
ont un spin 112 (ou, en général,
spin entier.
Parmi
les fermions,
les leptons
tation,
faibles et électromagnétiques
les baryons
présentent
les quatre
se classent
demi-entier)
les responles consti-
en : fermions,
qui
et bosons, avec un
ont des interactions
- pas d?interactions
interactions.
de gravifortes ;
Parmi
les bosons, nous trouvons
les bosons faibles
qui n?ont
pas d?interactions
fortes, et les blasons hadroniques,
qui ont toutes
les interactions.
Une propriété
importante
des fermions
à spin 1/2 est qu?ils
obéissent
à l?équation
de DIRA~. Celle-ci
a des solutions
qui
correspondent
aux particules
et des solutions
qui décrivent
les
antiparticules.
Si l?on adopte
le langage
des diagrammes
de
FEYNMANN (fig. l), les antiparticules
seraient
des particules
à
énergie
négative
qui se propageraient
du futur
vers le passé.
10
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
Fig. 1
E, +E
Q, +e
antiparticule
Fig. 2. - Une particule
avec charge -e
et énergie négative -E
voyage du futur vers le passé (tt > tO) équivaut
à une particule
charge + e et énergie + E, qui voyage vers le futur, I?antiparticule
celle avec charge -e et énergie + E.
Une particule
et une antiparticule
ont néanmoins
positive,
des charges
opposées,
la même
masse
interactions
mais s?annihilent
en bosons
:
Fig. 3
qui
avec
de
une énergie
et les mëmes
BULLETIN
DE L?UNION
Table
LES
INTERACTIONS
DES
IY
FONDAMENTALES
Transmises
Force
.un champ
Gravitation
spin
des
Faible
et
champs
spin
champs
Forte
spin
Table
FERMIONS
subissent
qui
particules
1 : W+, W-,
de jauge
donnent
avec
masse
Z
sans
masse
à
1 : photons
de jauge
sans
masse
à
11
; VT,
1 : gluons
V
forces
ve,
e
et
leurs
; vu>
antiparticules
faibles
subissent
et
avec
OBSERVES
électromagnétiques
et
nulle
de jauge
à des
spin
Baryons
à masse
un champ
Electromagnétique
par
2 : gravitons
lieu
Leptons
11
PHYSICIENS
des
fortes
ces
interactions
forces
nucléons
résonances
;hypérons
baryoniques
;
T
12
BULLETIN
DE L'UNION
Table
BOSONS
Bosons
electrofaibles
DES PHYSICIENS
VI
OBSERVES
subissent
mettent
et
trans-
des
photons,
forces
w+,
bosons
w-,
2
Glectromagnétiques
et
Bosons
hadroniques
faibles
subissent
et
des
ces
forces
interactions
8, P.
K, $3
D, $3 T,
...
fortes
L?électron
et le proton
ont été découverts
à la fin du dernier
siècle, le photon,
conçu en 1905, a permis
d?interpréter
l?effet
Compton
dans les années 20, le neutrino
fut proposé
par PAULI
en 1930 et le neutron
fut découvert
en 1932. Ainsi, à la fin des
années
30, on pensait
que les particules
élémentaires
étaient
celles indiquées
dans la Table VII.
Table
LES PARTICULES
VIE
ELEMENTAIRES
DES ANNEES
Masse
proton
p
(MeV)
charge
n
neutrino
v
électron
e
1
112
940
0
112
0
1/2
=
0
Leptons
Photon
y
Ce fut après la guerre
à partir
que des centaines
de particules
furent
cer en 1947, par des pions.
spin
938
Nucléons
neutron
30
0,511
-1
0
0
de la fin
découvertes
If2
1
des années 40,
- à commen-
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
13
PHYSICIENS
Aujourd?hui
les particules
fondamentales
orthodoxes
sont
particules
de la matière,
qui ont un spin 1/2 et les quanta
champ
qui transmettent
les interactions
entre ces particules
Particules
avec spin
Quanta
leptons
1 quarks
de la matière,
112
photon
?y,
bosons W+ W- Z
gluon g
de champ
I
pour
les
de
:
Les bosons de HIGGS, s?ils existent,
qu?on puisse expliquer
les masses
entrent
dans
des particules.
la
théorie
Les quarks
furent
inventés
dans les années 60 pour décrire
la grande variété
de particules
avec interaction
forte, les hadrons.
Nous pensons actuellement
qu?il existe six types de quarks
chacun pouvant
exister
sous trois états différents
caractérisés
par
un nombre
quantique
qui s?appelle
la couleur.
Les six quarks
sont ordonnés
en trois familles
de deux quarks,
des doublets,
et sont indiqués
dans la Table.
Table
(Particules
VIII
QUARKS
constituantes
des
hadrons)
f
I
Familles
Charge
Nombre baryonique
2/3
1/3
- 1/3
u3
Un a été amené
à considérer
que ces particules
étaient
associées à des représentations
d?un groupe
de symétrie
interne
et on a besoin de trois quarks appelés quarks
de valence - pour
former
un baryon.
Ainsi le proton
est constitué
de trois quarks
de valence,
deux quarks
u et un quark
d tandis
que le neutron
est formé
de deux quarks
d et un quark
u - en combinaison
convenable
?de couleurs
:
p-uud
n-u
Le quark
d d.
s caractérise
z+-2424s
Z--dds
F - u d s,
les baryons
etc.
étranges
:
14
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
Les quarks
c, t et b ont été mis en évidence
par la découverte de nouvelles
particules,
telles
le r(l et le upsilon.
On a
aussi prédit
l?existence
de nouvelles
particules
comme
le baryon
a- -s s s. Par conséquent
les charges des quarks
sont fractionnaires avec valeurs 213 et - 113.
Les bosons
quark. Ainsi :
hadroniques
sont
formés
de paires
quark-
anti-
;FG+ - u a,
K+-us,
sv
-c
c,
T
- b 6,
etc.
Dans les réactions
où apparaissent
des baryons,
on a constaté
qu?il y a une loi de conservation
d?identité
de cette espèce. Ainsi
dans la désintégration
du neutron,
un neutron
disparaît
mais un
proton
apparaît.
On a ainsi proclamé
que le nombre
de baryons
se conserve
et on attribue
à chaque
baryon
un nombre
baryonique,
B, égal à 1 pour un proton,
égal à 113 pour un quark
(la valeur est opposée en signe pour les antiparticules).
On pense
par exemple
que la réaction
de désintégration
du neutron
:
n+p+e-+Y,
B
1
est due à une désintégration
B
1
0
d?un
quark
d -,
u
1/3
1/3
udd-+uud
D?autre
part,
on attribue
nombre
quantique
similaire,
donnés dans la Table
IX.
+
e0
0
d du neutron
+
:
Ve
0
+ e- +V,
à chaque
le nombre
famille
leptonique
de leptons
un
L,, L, et LT
IIIILLETIN
DE
L?UNION
DES
Table
1.5
PHYSICIENS
IX
LEPTONS
Lepton
Le
L!J
L
T
stable
1
0
0
stable
1
0
0
Masse
Dur&
(MeV)
(Sec)
'e
~60 x10
e-
0,511
-6
< 0,510
de vie
stable
I
(?)
219 x 10-6
105,6
~250
stable
I
1784
(?)
2,8 x 10-13
La loi de conservation
du nombre
leptonique
s?applique
chaque nombre
L,, L, LT, séparément,
ce qui est indiqué
par
réactions
du type :
CL- + v, + eL,
L,
1
1
0
0
0
1
à
les
+ V,
0
-1
T- + VT + e- + Ge
V. L?INVARIANCE
MAGNETIQUE.
LT
1
1
0
L,
0
0
1
DE JAUGE
0
-1
ET LE CHAMP
DE
JAUGE
ELECTRO-
Je dois maintenant
vous parler
des champs
de jauge et des
progrès
accomplis
dans les derniers
quinze ans pour comprendre
et unifier
les interactions
fondamentales.
tique.
Considérons
tout d?abord
l?invariance
de jauge électromagnéVous
savez tous que, en physique
classique,
c?est
le
BULLETIN
16
champ
È, B? qui
n?est
pas déterminé
qui
engendre
DE L'UNION
a un
DES PHYSICIENS
sens d?observable
d?une
ce champ,
façon
tandis
univoque.
Si
que
le potentiel
Â,?cp est
le potentiel
on a :
B= ;SxÂ
un autre
traire
potentiel
2, ?cp? qui diffère
t) selon
A (2
l?expression
de 2, cp par une fonction
arbi-
:
<p? = ,cp--
ah
at
donne
lieu
au même
champ
?8
La transformation
transformation
de
:
Ê,
=
B? = 2.
de b, v en z,jcp?
jauge
électromagnétique.
ci-dessus
s?appelle
une
Les équations
de MAXWELL aussi bien que les équations
classiques de L.ORENTZ sont invariantes
de jauge, puisque elles peuvent
s?exprimer
en fonction
Mais si nous considérons
tion avec le champ
:
de E et %
le lagrangien
L=1
seulement
(voir
de la particule
Table
III).
en interac-
mU2 + e(?*X-q)
2
qui donne
lieu
à ces équations,
L n?est
pas invariant
de jauge
:
aa
L?=
De même,
L+e?*?A-edt
l?hamiltonien
:
1
H=
n?est
pas invariant
En
-eA>2+eq
mécanique
quantique,
on demande
que
soit invariante
de jauge puisque
c?est
qu?on obtient
les prédictions
et la description
SCHRODINGER
tion
-CP
2m
de jauge.
l?équation
de
de cette équades situations
BULLETIN
physiques.
Cela exige,
cas non relativiste
:
1
DE L'UNION
dans
la représentation
x, à savoir,
2m
que la fonction
w subisse, en même temps
d?après (6), une transformation
de la forme
l&)
3 l&l,t)
Les différentiations
ceux
qui
que
:
le
2 et ?cp changent
= ,(i:h)eA(h&).
créeront
proviennent
dans
a
= ik-w(Xt)
at
(-ih7-eÂ>2+e~q}W(x:t)
{----
17
DES PHYSICIENS
des
(7)
termes
en A qui
annulent
de A> et .rp?.
Les transformations
de jauge électromagnétique
(6) et (7) sont donc les transformations
en mécanique
quantique.
On peut présenter
ce résultat
d?une
prête à une généralisation.
Considérons
vation
de ?II, :
autre
manière,
les opérateurs
qui se
de déri-
a
-ih
Si l?on
donnent
change
lieu
ie(i/h)eh
ihat*(rX:
îl, en 9? d?après
l?équation
t)
à un terme
2
mais
at
dérivée
et
?w(T,
de la fonction
-ih$
ih
de la forme
aussi
q,? = ,(i/h)eA{i
iat
eA
terme
A, à savoir
w? = e(iih)eA{-ih?
A
(7), ces opérations
e(ilh)
à un autre
arbitraire
t).
(qui
ih 3 w) et
contient
la
:
+ e(7*)jv
-Y-
at
Si A est arbitraire,
peut pas dépendre
SCHRODINGER
pour une
ne
2m
la description
d?une
de A. Si l?on veut
particule
libre
:
situation
physique
que l?équation
de
(8)
,
18
soit
BULLETIN
invariante
DE
sous
L?UNION
DES
la transformation
PHYSICIENS
(7),
il
faudra
remplacer
a
les
dérivées
9
que, en même
et ~
temps
-ihrj?
*?
par
at
d?autres
opérations
que îl, + VO?, alors
s-+
3?
3
et
et D, telles
D, + D?t et :
= e(ilh)eA(-ihDt))
(9)
ihD?,$
On
qui
doit
sera
alors
On trouve
= e(i/h)eA(ihD,W)
remplacer
l?équation
invariante
par
facilement
que
r; =
(8) par
(7) et
(9).
:
q-??pr
h
D,=
et donc
:
(10)
;++
:
= ,(ilh)eAD,
=e
Ainsi, si nous avons
donné
par une fonction
(i!h)
e A D, rp.
une équation
complexe
qui décrit un champ
libre
+ (x) sur laquelle
agit un
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
i9
a
opérateur
0 (5, -,
at
m1 :
a
O(o?, at,m)g(Zt)
une équation
invariante
= 0
par les transformations
de jauge
(7) :
l/J(T,t) -, $?TX,t) = f?!(W)e* (2 t) I#I(; t)
sera obtenue
avec
nés par (10) :
l?insertion
en 0 des opérateurs
+(zt>
O$,D,,m)
pour
La demande
un champ
l?introduction
moyen
des
8 et D, don-
(11)
= 0.
d?invariance
de jauge d?une équation
quantique
complexe
par les transformations
(7) exige donc
d?un
dérivées
champ
(10).
vectoriel
2 et d?un
Ces dérivées
s?appellent
champ
cp au
dérivées
co-
À,CQ
variantes
de jauge. Le champ
s?appelle
un champ
de jauge
et l?équation
décrit
l?évolution
d?un champ
+ (n) en interaction
avec le champ de jauge. Et celui-ci - on le voit - est le champ
(potentiel)
électromagnétique.
Si maintenant
je considère
les équations
des champs
SOUS
forme relativiste,
telles que celles données
par les équations
de
KLEIN-GORDON
(2), de PROCA (3), de DIRAC (5), j?obtiendrai
les
équations
invariantes
de jauge si j?y remplace
les dérivées
ordinaires
arr 3 - anp > i-I = 0,1,2,3
D,
où j?ai choisi
de faire h
que A0 = fcp. Les équations
par
les dérivées
covariantes
= a,+ieA,
(12)
= 1, c = 1 et le champ
A, est
sont indiquées
dans la Table X.
L?équation
invariante
de jauge décrit l?évolution
d?un
représenté
par une fonction
complexe,
en interaction
champ
de jauge qui est, dans le cas présent,
le champ
magnétique.
La théorie
lagrangien
qui
:
est développée
est basé sur
généralement
par
le principe
d?action.
tel
champ,
avec le
électro-
le formalisme
Une fonction
20
BUI.LEXIN
DE
L?UNION
DES
Table
PHYSICIENS
X
EQUATIONS
DE CHAMPS
INVARIANTES
DE JAUGE
ELECTROMAGNETIQUE
Equation
Klein-Gordon
(particules
Proca
(otu
à spin
à spin
)a,=
invariante
(Da Da+u2)$
0
(x)
de jauge
= 0
av~~+y2
$I:
= 0 ,
Dy~uy+~2
pI'l=
0 ,
(i
q(x)
= 0
1)
(spineur)
(particules
2
Equation
zéro)
(vecteur)
(particules
Di rat
(Scalaire)
à spin
de champ libre
(i
1/2)
? au-m)
Q,(x)
= 0
?
D,,-m)
D,, = a,, t ie Au(x)
réelle L construite
avec
gué 4? (x) et ses dérivées
un champ
premières
L = L [9 (4,
engendre
l?action
+ (x), son complexe
a,+, a,+* :
conju-
6 ce, ~a,+,ia,6i
S :
s=
d?x L.
s
Lorsque
l?on change
le champ
+ (x) en + (x) + 6 + (x) où
6 $J(x) est arbitraire
mais s?annule
à l?infini,
L change en L + 6L
et S en S + 6s. Le principe
d?action
postule
aue S est stationnaire pour 6 Q, (n) choisi de la façon indiquée,
C?est-à-dire
:
6s = 0.
Il
en résulte
que
le champ
obéit
aL
de Lagrange
aux
équations
suivantes
aL
--a,
'a+ 04
dites équations
du champ
libre.
(13)
0
v,+)
qui
sont
=
les équations
d?évolution
:
BULLETIN
DE L'UNION
Table
LAGRANGIENS
21
DES PHYSICIENS
XI
DE
CHAMPS
LIBRES
Klein-Gordon
Proca
(les
variables
dans
l'equation
de Lagrange
NJ*
I$I~* et 9
)
sont
Dirac
L,
ya aa - m) J,
= $(i
avec
j, = $+ yo
Pour construire
maintenant
une théorie
invariante
par rapport aux transformations
(7), on doit remplacer
dans ces lagrangiens les dérivées
,& par les dérivées
covariantes
D, données
par (12) :
Au lagrangien
qui ne contient
ainsi obtenu,
que le champ
on doit ajouter
un
de jauge. On trouve
nouveau
que :
terme
1
LA = -
~
F,, FL~?
4
où F,,
jauge
g=
est le tenseur
de MAXWELL
Ainsi, le lagrangien
électromagnétique
(4~).
qui engendre
est finalement
théorie
invariante
de
:
-+F,(x)Fv~(x)...
.. . + L (+ (XL
+? (xl, D,+ (xl,
Si l?on considère
comme
variables
cipe d?action
(13), + et D,+ et
obtient
les équations
de Lagrange
aL
#a+* (4
déterminent
les équations
CD,+ (x))?)
(13 a)
à être variées
dans le prinses complexes
conjugués,
on
invariantes
de jauge :
aL
P-D,
qui
une
a P,+)'
de + (x).
z 0
(14)
22
BULLETIN
Lorsque
l?on
varie
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
A, et a, A,, on obtient
aL
:
aL
a A, (xl
Ce qui
donnera
a GV A, (xl)
les équations
de MAXWELL
#awFp? (X)
où j?(n)
est le courant
VI. DEGRES
DE LIBERTE
(15)
= 0.
-2,
:
= jp (n)
électromagnétique.
INTERNES
DES
PARTICULES.
L?ISOSPIN.
Une particule
neutre
est décrite
par un champ
qui est une
fonction
réelle (opérateur
hermitique
dans la théorie
quantique).
Il ne peut évidemment
pas subir les transformations
de jauge (7),
valables
uniquement
pour des fonctions
Q complexes.
Les propriétés
intrinsèques
d?une
telle
particule
sans charge
sont la
masse et son spin, des propriétés
géométriques
puisque
déterminées
par les générateurs
du groupe de POINCARÉ, un groupe
de
transformations
géométriques
dans l?espace - temps.
La charge
d?une particule
est donc liée au caractère
complexe
de la fonction (ou opérateur)
qui la décrit - un degré de liberté
interne.
?Le courant
électromagnétique
d?un
champ
décrit
par une
fonction
complexe
résulte
du fait que les observables
doivent
avoir uniquement
des valeurs
réelles et donc s?exprimer
en fonction de produits
de la forme
Q*~I. Ces observables
sont donc
invariantes
par le groupe
de transformations
(7) avec pour A
une constante.
Ce groupe
à un seul paramètre
a le nom
de
groupe
U (1).
Un
Vous
tions
autre exemple
de degré de liberté
interne
est l?isospin.
savez qu?un spineur
de PAULI v(x)
est une paire de fonccomplexes,
vi(x)
et V~(X) :
v(x) =
qui décrivent,
en mécanique
ticule avec spin 1/2. vi? (x)wl
îol (x)
i +a(x) 1
quantique
non relativiste,
(x) représente
la densité
une parde proba-
bilité
pour trouver
une particule
au point z à l?instant
t, avec
la composante
de son spin selon un axe, disons
02, égale à
1
2
h, tandis que ,@J? (x) a (x) correspond
au cas où cette compo1
sante
est --
k.
2
RULLETIN
Les matrices
décrivent
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
23
de PAUL1 ~7:
l?opérateur
de spin ?! d?un
3 czz 1
fermion
à spin
112 :
h?.
2
Lorsque
l?on applique
une rotation
d?angles
2 dans l?espace
à trois dimensions,
le spineur
de PAULI change
de telle
sorte
que l?équation
de PA~LI-SCHRODINGER
soit invariante.
On trouve
que cette transformation
est de la forme
:
qf(x?)
qui
correspond
aux
=
,iZ
rotations
.Z2
(16 a)
?qj (x)
de l?espace.
Le groupe des transformations,
des spineurs
de PAULI s?appelle
eia .:/2, définies
le groupe SU (2).
dans
l?espace
Au lieu de considérer
le spin mécanique,
nous pouvons
avoir
affaire
à deux particules
ayant la même masse et qui ont les
mêmes
propriétés
sauf la charge électrique.
Dans le cas du proton et du neutron,
dans la limite
de même masse (elles diffèrent
un peu), ils ont les mêmes
propriétés
nucléaires,
abstraction
faite de la charge et, donc, du moment
magnétique.
HEISENBERG
proposa
de considérer
le proton
et neutron
comme
deux états,
de charges différentes,
d?une seule particule,
le nuc2éo~z. Si p(x)
et n(x) sont deux
le spineur
(appelé
fonctions
isospineur)
N(x)
p? (x) p (x) représente
de x et t, un nucléon
:
est décrit
=
la densité
par
(17)
de probabilité
pour
que la par-
ticule au point ; et à l?instant
t soit un proton,
n*(x) n(x) pour
qu?elle
soit un neutron
(p et n, à leur tour, seront des spineurs
de PAULI si l?on prend en compte
le spin du nucléon).
La physique nucléaire
obtenue
par un observateur
qui décrit un nucléon
par le spineur
(17) sera donc la même que celle obtenue
par un
physicien
qui décrit ce nucléon
par l?isospineur
:
N?(x)
= e
i L .7/2
N
(x)
(18)
24
BULLETIN
DE L'UNION
où :ht, kT2>A3 sont trois paramètres
trices (16) qui ne se refèrent
déterminent
la charge du nucléon
DES PHYSICIENS
réels et les 7 sont les mapas au spin mécanique,
mais
:
1
Q = -(1
+ ~3).
2
Le groupe
des transformations
données
cédente constitue
le groupe SU (2).
par
l?exponentielle
pré-
Si l?invariance
de la théorie
par rapport
aux transformations (7) avec A constante
- le groupe
U (1) - donne lieu au
courant
électromagnétique,
définissant
l?invariance
de la théorie
SOUS les transformations
(18) du groupe
SU (2) définit
un nouveau courant
qui se conserve,
lui aussi, le courant
d?isospin,
j&?(x),
où l?indice
a = 1,2,3 correspond
à l?isospin.
VII. LES CHAMPS
C.-N.
formations
de n et
local :
DE JAUGE
YANG et R. MILLS
(18)
dans
t. Le groupe
(si les paramètres
global).
DE YANG-MILLS.
ont
le cas
eu l?idée
où
de considérer
les
paramètres
correspondant
s?appelle
N?(x)
= e i;(X).
G,t,
h? sont
constants,
le
les trans-
h
dépendent
le groupe
@)
(19)
groupe
En
admettant
que les deux états p(x)
le spineur
N (x) ont la même
masse
DIRAC pour
N(x)
s?écrit
:
tuent
SU (2)
veut
dire
L = p(x)
s?appelle
et n(x) qui constim, le lagrangien
de
(20)
L = N(x)(iy=Sa,-m)N(x)
ce qui
SU (2)
:
(iy?a,-m)p(x)
+
E(x)(iyaa,-m)n(n)
où :
j
= p+ y0
et
N(x)
11 est invariant
sous le groupe
pas sous le groupe SU (2) local
= (P(x),
E(n)).
SU (2) global,
(19).
(18)
mais
ne l?est
Pour construire
une théorie
invariante
dans ce dernier
cas,
il faudra
remplacer
les dérivées
a, par des dérivées
covariantes
convenables
D,,, qui sont maintenant
des matrices
2 x 2 puisque
N a deux composantes
:
BULLETIN
(D,N(n)),
DE L'UNION
=bfl(DP).)Nb,
2.5
DES PHYSICIENS
a =
1,2;
NI
= ~2, Nz = p.
Cette dérivée
contiendra
nécessairement
groupe
SU (2), T,, et sera donc de la forme
les
:
générateurs
du
4
Tub
(D&b
= a, hb + ig Â, (n)
l
-
g est une constante
similaire
à la charge
A,(x),
a = 1,2,3 sont les champs
de jauge
Le
2
e. Les trois
de Yang-Mills.
lagrangien
d?une théorie
invariante
de jauge
un terme
qui se refère uniquement
; il a la forme
:
MILLS contient
de YANG-MILL~
p-L?
(la flèche
indique
Le tenseur
,Y+~
4
champs
de YANGau champ
+ L(N,Nt,D,N,(D,N)t)
ici un tri-vecteur
d?isospin).
?@Y a la forme:
Fpy = a, Âv - ?apAy + g [A, x 41.
une
Aussi bien le champ
transformation
de
tions
locales
nitésimal
:
(19)
de
&(x)
jauge
N(x).
que le champ
correspondante
Elles
s?écrivent,
F,?(x)
subissent
aux transformapour
n?(x)
infi-
29, (x) = Àw(x) -#a,À (XI -g [T?(X) x 21
(19 a)
Rw (xl
Les transformations
contiennent
pas entre
avec
= 3,
[À(x)
(19) s?appellent
les matrices
elles.
Le lagrangien
le courant
(x1-g
x $?(X)l
non abéliennes
7 dont
les composantes
donnera
lieu à une interaction
d?isospin
; mais la caractéristique
gien sera le fait que le champ
théorie
est non linéaire.
&
interagit
avec
parce
qu?elles
ne commutent
du champ
$,
de ce lagranlui-même
-
la
BULLETIN
26
DE L'UNION
VIII. LES INTERACTIONS
ELECTROFAIBLES.
Il faut
maintenant
DES PHYSICIENS
FAIBLES
ET
que je vous
LE
parle
Vous savez que l?interaction
entre
mise
par des photons
: un électron
électromagnétique
et émet
un photon
absorbé
par l?autre
électron
:
MODELE
DES
des interactions
FORCES
faibles.
deux électrons
est transinteragit
avec le champ
qui se propage
et est
Fig. 4
On peut
penser
que
la désintégration
bêta
du neutron
:
n-+p+e-+C
est due à l?action
du quantum
d?un champ
similaire
au champ
électromagnétique.
Le neutron
émet
ce quantum
et se transforme
en proton
et le quantum
se désintègre
en un électron
et
un antineutrino
(fig. 5). Ce quantum
doit donc avoir une charge
électrique
et une masse pour que la force ait une courte portée.
5
e-
P
Q
\
A
\
A
g
w
n
Fig. 5
partir
Les idées sur les interactions
faibles
se sont développées
de 1934 lorsque
FERMI proposa
que les deux points
à
gg
BULLETIN
DE L?UNION
DES
de la fig. 5 soient
coïncidants.
Mais
entre ces deux points
restait
plausible.
27
PHYSICIENS
l?idée
d?un
quantum
W
Avant 1957, on ne savait lequel
de ces champs
était responsable de ce quantum
; ni même
si cette
idée était
valable.
Cette année-là,
FEYNMANN
et GELL-MANN
ont trouvé
la forme
mathématique
de l?interaction
responsable
de la désintégration
bêta : les courants
faibles
(n, p) et (e, Y) sont exprimés
comme
une force vectorielle
moins
une forme
axiale.
Par conséquent
le
quantum
échangé entre le neutron
et la paire (e, y) devrait
bien
être une particule
vectorielle. On l?appelle bosons Wf, W-. En
1958, en lisant l?article
de FEYNMANN
et GELL-MANN,
j?ai pensé que
ces particules
devraient
réellement
exister
et avoir un lien de
parenté
avec les photons,
qui sont aussi des particules
vectorielles.
J?ai donc publié
un article
où j?ai montré
que si la
constante
d?interaction
g des bosons W avec la matière
est égale
à la charge e, qui est la constante
d?interaction
électromagnétique,
alors la masse des bosons W est déterminée
et égale à environ
60 fois la masse d?un proton
(1) :
g = e 3 mw-60
mP.
L?hypothèse
g = e est déjà une indication
que les interactions faible et électromagnétique
sont unifiées
puisque
les deux
quanta,
y et W, ont la même nature
géométrique
(vectorielle)
et
la même
intensité
d?interaction
avec une différence,
à savoir la
violation
de parité
par les forces
faibles.
Ces années-là
les
physiciens
pensaient
que cette masse serait à peine plus grande
que rnr
J?ai encore généralisé
les interactions
faibles
et admis qu?un
autre boson, neutre (on l?appelle
aujourd?hui
le boson Z), devrait
aussi exister
et être responsable
des forces
faibles
entre particules
qui ne changent
pas de charge
(fig. 6) par exemple,
dans les collisions
électron-neutron
et Y~, e.
Fig. 6
(*)
J. LEITB-LOPE~,
Nucl.
Phys.
8,
234
(1958).
28
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
A cette époque-là,
on avait pensé que
sable des interactions
faibles était vectoriel,
un champ
de jauge de YANG-MILL~.
si le champ
responil pourrait
bien être
Mais ce champ
a une masse nulle, pour qu?il existe une invariante
de jauge
SU (2), tandis
que les bosons
W doivent
avoir
une masse. J?ai éprouvé
la même
difficulté
quand
j?ai trouvé
une masse très élevée pour les W puisqu?alors
je ne savais pas
comment
W+,
W- et Z pourraient
appartenir
à un multiplet
comprenant
le photon
dont la masse est nulle. L?appartenance
à
un tel multiplet
suggérée par l?égalité
g = e serait une indication
d?unification.
Cette question
a été résolue par STEVE WEINBERG
en 1967 et en
1972. Il a proposé
une théorie
invariante
de jauge,
sous les
groupes
SU (2) et U (1) ; la matière
fondamentale
serait
constituée d?un doublet
(sur lequel agit le groupe
SU (2)) et un singulet (sur lequel
agit le groupe
U (1)). Par exemple,
comme
les
neutrinos
émis dans les réactions
connues
jusqu?à
aujourd?hui
sont totalement
polarisés
à gauche,
on peut considérer
un doublet constitué
d?un neutrino
lévogyre
et un électron
lévogyre
:
Mais puisque
l?électron
gyres, il faut aussi admettre
dextrogyre
:
peut avoir des composantes
dextroun singulet,
à savoir
un électron
eD
A partir
de là, WEINBERG
(et indépendamment
SALAM
et
GLASHO~V)
construisit
un lagrangien
invariant
de jauge sous SU (2)
et U (1) ; il a donc introduit
un champ
de YANG-MILLS
avec
trois
composantes
d?isospin,
2 et un champ
de jauge
SOUS
U(l),
B,, et deux constantes
d?mteraction
g et g?. Initialement,
le lagrangien
est invariant
de jauge et donc toutes ces particules,
le neutrino,
l?électron
et les champs
de jauge,
sont à masse
nulle. WEINBERG montra
alors que l?on peut introduire
une autre
interaction
avec un champ
scalaire
massif,
le champ
de HIGGS,
briser la symétrie
de jauge et ensuite
engendrer
les masses des
particules
physiques
: (c?est le soi-disant
mécanisme
de HIGGS)
l?électron
acquiert
ainsi sa masse, le neutrino
peut avoir
soit
Â,
une masse nulle ou une petite
masse. Et les champs
et B,
donnent
lieu à quatre champs
équivalents,
les champs
W,,-, W,+,
Z, et A,, qui sont les champs
des bosons mentionnés
avant,
et
le champ
électromagnétique.
Les bosons acquièrent
une masse
telle que :
m, = 0.
mw - 75 GeV
mz - 90 GeV
BULLETIN
DE KkJNION
DES PHYSICIENS
29
Les bosons W et Z ont été trouvés expérimentalement
au C.E.R.N.
il y a juste
un an. Ces résultats
ont confirmé
ma suggestion
de 1958. Et au lieu de l?égalité
g = e que j?avais
postulée,
on
obtient
dans la. théorie
de WEINBERG et SALAM-GLASHOW
:
e = g sin Bw
où B, est un paramètre
tel que
Cette théorie
constitue
faibles.
C?est le premier
des forces fondamentales
magnétiques
et les forces
de jauge sous le groupe
Ix. LES INTERACTIONS
sin**Bw
= 0,23.
le modèle
standard
des forces électroexemple
d?une
tentative
d?unification
qui a eu du succès. Les forces électrofaibles sont les deux faces des champs
SU (2) 8 U (1).
FORTES
ET LA CHROMODYNAMIQUE.
Pendant
plusieurs
décades,
depuis
que YUUA~A
en 1935
proposa
l?existence
de champs
mésoniques,
on a pensé que les
interactions
fortes
étaient
dues à ces champs,
à l?interaction
de mésons
hadroniques
avec des baryons.
Ce ne fut que dans
les années 70 que se développa
la chromodynamique,
une théorie acceptée
aujourd?hui
comme
le modèle
des interactions
fortes. Il a fallu attendre
la naissance
du modèle
des quarks
et
la conception
que chaque
quark
existe en trois états caractérisés par le nombre
quantique
couleur.
(La notion
de couleur
résulta
des difficultés
liées à la construction
d?états, comme
celui
de A++, de baryons
avec trois quarks
u avec spin en haut. C?est
seulement
si chacun
des trois tl a une couleur
différente
qu?on
peut construire
un état antisymétrique
pour A++. En plus, on
postule
qu?aucune
particule
physique
ne peut
avoir une couleur différente
de zéro). Si nous désignons
par q(x) un spineur
qui décrit un quark,
ce spineur
doit avoir trois composantes
de
couleur
:
l 1
41
q(x)
=
(n)
4.2 (x)
q3
(xl
Le groupe
de transformations
défini
dans l?espace
vectoriel
complexe
à trois dimensions,
avec déterminant
égal à 1, s?appelle
le groupe
SU (3). Il existe huit matrices
fondamentales
à trois
lignes
et trois
colonnes,
:?,k, qui jouent
pour
SU (3) le rôle
qu?ont
les matrices
de PA~LI 7i pour
le groupe
SU (2). Si ai,
j = 1, . .. 8 sont les paramètres
qui caractérisent
une transformation de ce groupe,
on aura :
4?
(somme
sur
tx)
k de 1 à 8).
=
e
if
@kP)
ak
q tx)
30
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
Lorsque
les paramètres
ak dépendent
du point n de l?espacetemps alors le lagrangien
du quark
q (x) libre n?est pas invariant
sous ce groupe.
Si l?on utilise
la méthode
appliquée
dans le cas
du groupe
SU (2) local,
on trouve
que l?on
peut obtenir
un
lagrangien.
L?invariant
de jauge,
si l?on
utilise
les dérivées
covariantes
:
D,q(x)
avec la
spineurs
=
demande
que
eux-mêmes
:
DP, q?(n)
(3,
+
if
c,,(x)
2?
ces dérivées
= e
se transforment
if(hk/2)ak(x)
(D,
On est ainsi conduit
à introduire
k = 1, . . . 8 avec huit composantes,
une loi de transformation
de jauge
soit
invariant
sous le groupe
9 WY. k
f
est
la constante
du groupe SU (3).
=
% Cpk
4(n)
comme
les
q(x)).
un champ
de jauge CPk (x),
avec masse nulle,
qui aura
telle que le lagrangien
:
SU (3) :
-
d?interaction,
?3, c,k
+
f hkh
c,I
c,,
hkln les constantes
de structure
Ce champ
de jauge Cpk (x) s?appelle
le champ
de coukur
et
Les gluons
interagissent
avec
ses huit quanta
sont les gluons.
les quarks
aussi bien qu?entre
eux. La théorie
est donc non
linéaire
et vous avez des termes
d?interaction
qui contiennent
les auto-interactions
de gluons
mettant
en jeu soit trois soit
quatre
champs
de gluons
ayant un sommet
commun.
La théorie
a été
nées et les spécialistes
X. LA GRANDE
développée
au cours des dix dernières
la considèrent
comme
un succès.
an-
UNIFICATION.
Les interactions
faibles, électromagnétique
et forte sont donc
décrites
au moyen
de certains
champs
de jauge
avec spin 1.
Dans le cas électromagnétique,
l?invariance
de jauge
U (1) est
exacte ; de même,
dans le cas de la chromodynamique,
l?invariante
SU (3) est exacte. Les photons
et les gluons ont donc une
masse.
Dans
le modèle
électrofaible,
l?invariance
de jauge
SU (2) @ U (1) est brisée, les bosons de jauge acquièrent
une masse
et la théorie
n?a finalement
que l?invariance
U (1).
BBLLETIN
DE L'UNION
31
DES PHYSICIENS
Après ces développements,
vous voyez qu?il est naturel
qu?on
se demande
s?il n?est pas possible
de construire
une théorie
qui
unifie
les interactions
fortes
avec les forces
électrofaibles.
La
théorie
devra donc admettre
un groupe
qui doit contenir
le produit SU (3) N SU (2)s U (1).
On a pu construire
demande,
par exemple
le modèle
E6.
quelques
le modèle
modèles
SU (S),
qui satisfont
à cette
le modèle
SO (10) et
La demande
d?une grande
unification
des trois forces indiquées provient
du fait que certaines
questions
fondamentales
ne sont pas résolues
si l?on reste dans le cadre de la chromodynamique
à côté du modèle
standard
électrofaible,
c?est-à-dire,
du groupe
SU (3), @ SU (2) 3c U (1) :
1) l?existence
de trois constantes
n?est pas satisfaisant
du point
d?interaction
f, g, g? ou f, e, &V
de vue de l?unification;
2) pourquoi
existe-t-il
trois familles
de leptons
et de quarks,
des masses si différentes
?
3) quelle est la relation
entre quarks
et leptons ?
avec
4) pourquoi
a-t-on une charge du proton
exactement
(à moins
10-m) égale et de signe opposé à celle de l?électron
?
de
Dans le modèle
SU (5), le groupe de jauge est le groupe SU (5),
de tranSfOrmatiOnS
avec vingt-quatre
paramètres,
ak,
avec déterminant
égal à 1 et qui agit sur un espace vectoriel
complexe
à cinq dimensions.
Le nombre
de matrices
Tk dans
l?exponentielle
:
Un
groupe
-,$
=
e ig
?ak
TkW
est donc vingt-quatre.
Elles
sont des matrices
à cinq lignes
et cinq colonnes
et la fonction
?* a cinq composantes.
I est le
multiplet
fondamental
et contient
trois composantes
de couleur
d?un quark,
l?anti-quark
Ff lévogyre,
et les deux autres
compo
santes sont l?électron
et son neutrino,
lévogyres.
La
seule
théorie
constante
introduit
g :
D,
vingt-quatre
= ap+
ig
champs
de jauge
et une
?%x(x) Tk
(somme
sur k de 1 à 24). Ces champs
de jauge comprennent
les
douze champs
qui correspondent
aux huit gluons
plus W+, W-,
Z et y. Les champs
de jauge qui restent,
en nombre
de douze,
sont responsables
de transformations
de quarks
en leptons;
ils
ont une masse très élevée de l?ordre
de 101s GeV. La théorie
donne une corrélation
entre la charge de l?électron
et celle des
32
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
2
quarks,
à savoir
Q,
= 3
Q,+. Surtout,
dans un multiplet
avec des quarks
implique
de ceux-ci en leptons
et donc une instabilité
l?occurence
de leptons
une transformation
du proton
:
avec une vie moyenne
de l?ordre
de 1031 ans. C?est la conséquence
phénoménologique
la plus importante
de ce modèle
et
des expériences
sont aujourd?hui
en cours pour vérifier
si elle
est vraie.
Je m?arrête
ici. D?autres
développements
importants
se sont
produits
dans le domaine
de la théorie
de l?unification
des
champs,
tels que la supersymétrie
et la supergravité.
L?unification des trois forces examinées
précédemment
avec la gravitation ?(2) n?est pas encore
achevée.
Mais
la cosmologie
reçoit
d?importantes
contributions
des modèles
d?unification,
concernant l?évolution
de l?Univers
dans les premières
secondes
de sa
formation.
L?échelle
d?énergies
mise
en jeu par ces modèles,
10?3 GeV ou plus grandes,
peut être atteinte
dans l?explosion
?de
trous noirs qui vont jusqu?à
l?énergie
de PLANCK, 1019 GeV, qui
correspond
à des températures
de 10? kelvins.
Ces températures
doivent
avoir été réalisées
pendant
le big-bang
lorsque
l?Univers
avait l?âge de 10-37 seconde. L?Univers
dans ces conditions,
se présente aux physiciens
comme
le laboratoire
adéquat
à la vérification expérimentale
des prédictions
des théories
d?unification.
La supersymétrie
prédit
l?existence
de nouvelles
particules,
les théories
de jauge l?existence
de monopoles
magnétiques,
,pas
encore détectées
expérimentalement.
(*) Le champ
de gravitation
est un champ
de jauge
avec spin 2.
Gravité
sur
identique
tipn
la
Terre
à la
parmi
gravita-
tous
(Newton)
les
téorie
corps
tiviste
restreinte
(géométrie
de l'espace-
de la
gravitation,
(Einstein,
Relativité
rela-
Lorentz,
1,
Poincaré)
temps
Forces
électriques
unifiées
avec
forces
magnétiques
et
avec
la
lumière
le
éléctrodyna-
les
champ
mique
de
--Il
de Maxwell
classique
électodyna1
mique
quantique
1
modèle
faible
Théorie
Interaction
V-A
g-e;
quantique
faibles
électrostandard
W+,
W-,
Z .y
1
grande
fication
mode1
Interactions
fortes
Chromodynamique
E
????
uni-
34
I:UI.LETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
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Del
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1984.
La Recherche
La Recherche
no 15,
N? 677
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
35
Quelques
aspects expérimentaux
de la physique
des particules
par
au Centre
Michel
SCHAEFFER,
chargé
de recherches,
responsable
du groupe
L.E.P.
de Recherches
Nucléaires
de Strasbourg.
PLAN
DU
DOCUMENT
Avertissement.
1. INTRODUCTION.
1.1. Particules
et interactions.
1.2. Aspect
II.
expérimental.
GÉNERALITÉS.
11.1. Buts
d?une
expérience
de physique
11.2. Eléments
de base d?une
particules.
11.3. Concentration
de l?énergie.
11.4. Mécanismes
de l?interaction.
11.5. Quels
III.
projectiles...
PRODUCTION
DE PARTICULES
pour
des particules.
expérience
quelle
D'ÉNERGIES
de physique
physique
des
?
ÉLEVÉES.
111.1. ,Généralités.
111.2. Principe
111.3. Eléments
IV.
DÉTECTION
IV.l.
de l?accélération
synchrone.
constitutifs
d?un synchrotron
moderne.
DES PARTICULES.
Interaction
des particules
chargées
avec un milieu
matériel.
IV.l.l.
Détection
de l?excitation
d?un scintillateur.
IV.1.2. Détection
de l?ionisation.
IV.1.3. L?effet
Cerenkov.
IV.1.3.1. Détection
de l?effet
Cerenkov.
IV.1.3.2. Structure
des identificateurs
Cerenkov.
IV.1.4. Le rayonnement
de freinage
(bremsstrahlung).
36
BULLETIN
IV.2.
v.
Détection
des particules
neutres.
IV.2.1. Détection
des photons
énergiques.
IV.2.1.1. Cascades
électromagnétiques.
IV.2.2. Détection
des hadrons
neutres
et des neutrinos.
IV.2.3. Calorimétrie.
Structure
générale
V.2. Electronique
V.3. Traitement
v.4.
VII.
DES PHYSICIENS
LES SPECTROMÈTRES MODERNES.
V.l.
VI.
DE L'UNION
DELPHI
QUELQUES
d?un
associée au spectromètre.
différé
(« off-line )>) des données.
: un spectromètre
FAITS PHYSIQUES
VI.1.
La découverte
VI.2.
Une
charge
PERSPECTIVES
spectromètre.
des
de la nouvelle
génération.
NON STANDARD.
quarks.
électrique...
infinie.
ET CONCLUSIONS.
AVERTISSEMENT
La vulgarisation
(si mal appelée par la langue française)
n?est
pas une activité
aisée quand
elle se propose,
réellement,
la
transmission
raisonnée
d?un certain ensemble
de connaissances
et
de concepts.
Quand la cible est un public
d?enseignants,
la difficulté
s?accroît
encore,
car la volonté
de compréhension
et
l?information
initiale
sont plus grandes.
Par ailleurs,
contrainte
supplémentaire,
il faut organiser
le sujet en vue d?une réutilisation ultérieure
par l?enseignant.
Mais la difficulté
de l?exercice
qui m?était
proposé
n?est pas
tant d?ordre
technique
que d?ordre
sociologique
: en écrivant
ce
texte, qui propose
un survol très général
des « vastitudes
» de la
physique
des particules,
je retrouve
un peu les affres
de l?auteur de manuels
scolaires
qui, en France,
doit
écrire
autant
pour ses collègues
que pour l?enfant.
Dilemme
bien français
entre
l?efficacité
pédagogique
et la sainte rigueur
de l?orthodoxie,
gage
de l?estime
des collègues.
Qu?en me lisant
par accident,
l?éminent
spécialiste
garde à
l?esprit
mon but : écrire pour les collègues
physiciens
du secondaire, et uniquement
pour eux ; sensibiliser,
et non initier.
Toute
entorse à la rigueur
n?est ni le fruit du hasard,
ni (je l?espère)
celui d?une erreur.
BULLETIN
DE L?UNION
DES
37
PHYSICIENS
1. INTRODUCTION.
1.1. Particules
et interactions.
La physique
- au sens que nous donnons
actuellement
à
ce mot - a mis environ
trois siècles pour établir
la structure
granulaire
de la matière
: atomes
et molécules
qui se révèlent
à l?échelle
de l?angstrom.
Loin d?être élémentaire,
c?est-à-dire
sans
structure
interne,
l?atome
fut rapidement
compris
en termes
d?électrons,
puis de protons
et de neutrons,
organisés
en noyaux
atomiques
environ
cent
mille
fois
plus
petits
que
l?atome
(- lO-l3 cm).
Actuellement,
c?est-à-dire
à une échelle de 10-16 cm, seul l?électron a gardé son aspect élémentaire.
A cette échelle,
la matière
est bâtie à partir
de composants
ponctuels
(= élémentaires)
:
quarks
et leptons.
Quarks
et leptons
sont des fermions
(spin 1/2), donc soumis
au « principe
I> d?exclusion
de PAULI
(conséquence
du principe
de
micro-causalité),
ce qui leur permet
de réaliser
l?extension
spatiale de la matière,
dont ils constituent
les briques
(fig. 1 et 2).
Le ciment
qui lie les édifices
matériels
est constitué
par
c?est-à-dire
de particules
de spin entier
l?échange
de bosons,
(0, 1, 2,...), donc non soumises
au principe
de PAULI
ce qui leur
permet,
par accumulation
de quantas
de champ,
de créer des
interactions
d?intensité
arbitrairement
élevée. Ce mécanisme
d?interaction
permet
aux fermions
de s?agglutiner
entre
eux. On
parle
de bosons
de jauge
car ces particules
possèdent
d?importantes
propriétés
de symétrie
dites
« de jauge » (cf. conférence de LEITE-LOPE~).
Quatre
scenarii
d?interaction
Interaction
forte,
Interaction
Interaction
électromagnétique,
faible,
Interaction
gravitationnelle.
L?interaction
plus assimilée
mène complexe
VAN
DER
sont
WAALS
actuellement
connus
:
nucléaire
(échange de pions entre nulcéons)
n?est
à l?interaction
forte élémentaire.
C?est un phénoqui est à l?interaction
forte, ce que la force de
est à l?interaction
électromagnétique.
Les hadrons
sont des bosons
et des, fermions
sensibles
à
1?i 11t ci-action
forte,
tandis
que les leptons
désignent
exclusiveIW,II~ des fermions
non sensibles
à l?interaction
forte
(on ne
cwinaît pas de bosons qui soient des leptons).
Parmi
les hadrons,
les « mésons » sont des bosons
dont le nombre
baryonique
est
38
If?&.?
BULLETIN
..?.?. l...,--l.-
Fig.
1. -
DE L'UNION
x .I--. ,,
L?extension
,_
DES PHYSICIENS
:.. ?,,
spatiale
de la matière.
BULLETIN
DE
BRIQUES
.r.
4-
L?UNION
+
CIMENT
DES
PHYSICIENS
-
EDIFICE
..~
,-?
.
.
\
\
\
l
r
b
I
?,)
,?
?-:
-
-,
__y
,
Fig. 2. - Organisation
des édifices matériels.
L?interaction
faible n?apparaît pas comme source de liaisons.
C?est une interaction
qui permet
l?évolution
de certains
systèmes
physiques
instables
(radioactivité
p,
décomposition
de certains
hadrons,
des leptons
lourds
(v, T)...)~. C?est
notamment
l?interaction
faible
qui permet
la production
d?énergie
par les étoiles.
40
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
nul. 11 est remarquable
que parmi
toutes ces particules,
seuls les
électrons
et les nucléons
soient « utilisés
» pour bâtir notre monde
matériel.
Les neutrinos,
eux, servent de catalyseurs
aux réactions
thermonucléaires
du soleil.
A l?échelle
de 10-16 cm, tous les leptons
apparaissent
des objets
élémentaires,
c?est-à-dire
ponctuels,
ce qui
culièrement
frappant
pour le lepton
7, environ
deux
massif
que le proton.
comme
est partifois plus
La fig. 3 montre
très clairement
que les hadrons
se répartissent
en multiplets
de masse, ce qui fut très tôt une indication de leur structure
composite.
De fait, l?un des acquis les plus
remarquables
de la physique
des particules,
fut d?identifier
(entre
1960 et 1970) l?ensemble
des hadrons
avec des états liés de quarks.
La fig. 4 détaille
la zoologie
de base actuelle.
On a récemment
pu établir
que les interactions
faible et E.M.
sont deux manifestations
différentes,
d?une seule interaction
:
l?interaction
électro-faible,
dont le régime
d?unification
se situe
vers une échelle de masse de 100 GeV.
Des spéculations
convergentes
et de plus
en plus nombreuses
indiquent
que vers une échelle
de masse de 10?5 GeV
s?opère
l?unification
de l?interaction
forte
et de l?interaction
électro-faible.
L?édifice
théorique
de la physique
tuellement
sur les postulats
suivants
:
1) validité
de la mécanique
des particules
quantique
repose
relativiste,
2) principe
de localité
(par exemple
temps
« local
non plus temps
« universel
», jauge locale,...),
3) principe
de renormalisabilité,
4) principe
d?invariance
reviendrons
1.2. Techniques
plus
loin
» et
de jauge,
5) on suppose
que le modèle
sans gravité
samment
prédictif
loin de la masse
(1019 GeV).
Nous
ac-
sur certains
est suffide PLANCK
de ces points.
expérimentales.
Durant
la dernière
décade, les méthodes
et les techniques
de
détection
ont connu un développement
spectaculaire,
la complexité
des détecteurs
actuels
exigeant
de plus en plus souvent
une
approche
interdisciplinaire.
BULLETIN
DE L?UNION
DES
41
PHYSICIENS
HADRONS
LEPTONS
Mesons
Boryons
Spin
f
Spin
+
0
v
JI?--
;
l-
,-
,-
-r
.
,~R?Cl&l-n-:
,?
, ,*?
,?
----?
I
@7?
?-K
)Fig. 3. - Spectre
de masse des leptons
et de quelques
hadrons
(la
famille
T ?dont la masse
avoisine
10 GeV n?est pas représentée).
Rappelons
que seuls les leptons sont des objets élémentaires.
42
BULLETIN
Leptons
- _
e ,I
ve
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
Quarks
?p
T-
?
c
t
(+2/3)
( VT )
d
s
b
C-1/3)
rkf.
2)
Les
Interaction
4
inter&tions
constante
(d?après
de
gravitation-
par...
me2
g1
e
nelle
-0.2
10-42
graviton
I;
EM
e2/4nEoohc
=
11137
par...
k.?ptons
hadrons
oui
oui
masse
oui
oui
saveur
oui
ch.
m=O
W+W-Zo
A
+_
111
2 ,0-s
faible
subie
véhiculée
couplage
m
x 9OGeV
i;
y
oui(e,ul)
non
m
électr.
(v)
= 0
gluons
Forte
En
l?li<*l
résumé:
les
leptons
action
*_
la
Structure
sont
(8
sortes)
1;
m
des
particules
constante
de
quarks
couplage
$
qui
(de
?forte?
valence)
de
mésons
ex:
oui
ne
subissent
n?est
pas
quelques
constante
hadrons
*
triplet
= cc
= b6
F =
I?inter-
baryons
q9
T
jamais
forte.
en
paire
non
= 0
n=
ddu
P=
uud
A-=
ddd
ex:
cs
i
etc...
n
= sss
etc...
Remarque:
seuls
les
dans
la
états
globalement
quarks
Fig. 4. -
Quelques
systèmes
nature.
et
des
qi
(mésons)
Ceci
est
sans
gluons
données
à
lié
et
à
qqq
la
couleur,
conséquence
l?intérieur
des
complémentaires
(baryons)
nécessité
sont
de
du
produire
confinement
réalisés
des
des
hadrons.
sur
la zoologie
de base.
BULLETIN
DE L?UNION
DES
43
PHYSICIENS
Cette sophistication
de plus en plus poussée,
des détecteurs
modernes,
est issue de l?évolution
même
de la physique
des
particules
capable,
à l?heure
actuelle,
d?accéder
à des dimensions
mille
fois plus
petites
que le « rayon » du proton
(environ
10-n cm). Si, de nos jours, nous avons progressé
vers une image
unifiée
des interactions
de base et si le foisonnement
des particules
« élémentaires
» a pu être quelque
peu réordonné,
c?est
aux progrès
parallèles
des théories
et des techniques
expérimentales
que nous le devons.
Et pourtant
il est amusant
de remarquer
que les principes
de base, qui régissent
la détection
des particules,
n?ont
guère
évolué.
C?est plus par une utilisation
de plus en plus raffinée
de « vieux » concepts,
que par l?introduction
de nouveaux
processus de base, que l?expérimentation
a progressé.
En fait, la réelle complexité
des détecteurs
modernes,
réside
bien plus dans l?électronique
associée et dans le traitement
?des
données,
que dans les principes
mis en ceuvre. De ce fait, les
aspects
essentiels
d?une
expérience
moderne
de physique
des
particules
restent
décryptables
par des non-spécialistes.
Ce sont
les clés de ce décodage
que cette contribution
se propose
- peutêtre fort immodestement
- de fournir.
II. GENERALITES.
11.1. Buts
d?une
expérience
de physique
On observe que la collision
naissance
à d?autres
particules,
Exemples
des
particules.
des deux particules
parfois
nouvelles.
peut
donner
:
p+p+p+n+rr+
r+p+Ao+p
JC+ + p + X+ + K+
1)
2)
3)
La situation
est assez semblable
à la chimie,
où une variété
quasi infinie
de réactions
peuvent
être produites
et expliquées
à partir
d?un nombre
restreint
de « briques
élémentaires
» (les
éléments
chimiques).
En pratique,
une expérience
de physique
consiste,
le plus souvent,
à envoyer
sur une cible,
particules
d?énergie
et de nature
déterminées.
tion
Le taux
efficace
de réactions
de réaction
du type
» définie
étudié est exprimé
par :
0=
No
l
AX
l
Ni
des particules
un faisceau
de
par la « sec-
44
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
Ax : épaisseur
de la cible,
Ax doit être « suffisamment
» faible pour que les diffusions multiples
puissent
être négligées,
N, : nombre
de cibles par unité de volume,
Ni : nombre
de particules
incidentes
sur la cible,
total
d?événements
observés
durant
le temps
ne? : nombre
d?arrivée
des Ni « projectiles
».
On peut proposer
une image
simple
de la section
efficace
:
chaque centre diffuseur
(noyau, proton)
peut être regardé
comme
offrant
un bouclier
de surface c, au passage du faisceau.
L?unité
usuelle
de section
le m* : c?est le barn :
1 barn
efficace
=
n?est,
on s?en
doute,
pas
10-24 cm?.
La mesure
de la section
efficace est capitale,
car cette grandeur est reliée par la célèbre
« règle d?or » de FERMI, au phénomène proprement
dit de l?interaction,
objet
de l?étude,
connectant l?état
initial
(cible
+ projectiles
incidents)
à l?état
final
(produits
de la réaction).
Là encore, comme
dans toute la physique microscopique,
on ne s?intéresse
pas (et pour cause !) à ce
qui se passe durant
l?interaction.
2 #JC
Qfi
=
-
1<
f 1 Hiwt
l i >
j2 Qf (El
V
: section efficace (mesurée)
de production
de la configuration
finale
(f) à partir
de la configuration
initiale (i),
V
: vitesse incidente
des projectiles,
: hamiltonien
décrivant
l?interaction
des projectiles
Hint
avec la cible
(c?est ici que sont
« injectées
» les
hypothèses
physiques),
?of (E) : densité d?états finaux (facteur
purement
cinématique),
: état initial
(connu),
Ii>
: état final (mesuré).
If>
Ce qui précède permet
de comprendre
les deux pôles d?activité qui subdivisent
la physique
des particules
:
ufi
1) Une recherche
expérimentale
qui consiste
à provoquer
des
réactions
« intéressantes
» et à les étudier,
c?est-à-dire
à mesurer la section
efficace
Ufi, ce qui suppose
la connaissance
la
plus parfaite
possible
de l?état
final, c?est-à-dire
des produits
de la réaction
étudiée.
2) Une étude théorique
qui, à partir
d?hypothèse
pose un scénario
d?interaction
sous forme
« a
priori
d?expressions
»,
proana-
BULLETIN
lytiques,
teractions
théorique.
plus
Hi,
DB L'UNION
ou moins
permettant
compliquées,
le calcul
La confrontation
entre les valeurs
calculées
de la section
efficace
permet
validité
des hypothèses
théoriques.
11.2. Eléments
de base
cules (fig. 5).
d?une
45
DES PHYSICIENS
expérience
de l?hamiltonien
de la section
d?inefficace
mesurées
et les valeurs
en principe
de tester la
de physique
des
parti-
Une expérience
de physique
des particules
fait invariablement intervenir
les étapes suivantes
:
- production
des projectiles
et transport
jusqu?à
la cible,
où
les réactions
sont provoquées
par collision
(dans les collisionneurs, les réactions
sont provoquées
par collision
frontale
de
deux faisceaux),
-
détection
des réactions
mation
(quadri-impulsion
constantes
de calibration
-
traitement
qualité,
« en ligne
-
traitement
l?expérience.
différé,
« intéressantes
» et stockage
de l?infordes produits
de désintégration,
du spectromètre),
» de l?information,
afin
d?en
extraire
afin
d?en
la physique
améliorer
qui
Les sources de particules
peuvent
être naturelles
ficielles.
Les principales
sources sont (ou ont été) :
- sources
radioactives
(naturelles
ou artificielles)
quelques
MeV),
-
la
motive
ou
arti-
(environ
rayonnement
cosmique,
accélérateurs
:
KeV + MeV + GeV
< 1960 >
Par
la suite,
nous
11.3. Concentration
+ TeV += 10 TeV + 100 TeV
> 1990
> 1980
n?évoquerons
que les accélérateurs.
de l?énergie.
Bien que la notion
d?énergie
soit fondamentale,
c?est en réalité la concentration
de l?énergie
qui détermine
les situations
physiques.
C?est d?ailleurs
pour cette raison que l?on introduit
la
notion
de puissance,
qui traduit,
somme
toute, la concentration
dans le temps,
de l?énergie.
On peut évidemment
définir
d?autres
« densités » d?énergie
: concentration
massique
et concentration
volumique,
qui interviennent
par exemple,
lorsqu?il
s?agit
de
comparer
différents
dispositifs
de stockage
de l?énergie
(accumulateurs,
piles, fossiles...).
La
trées
fig. 6 montre
dans le monde
que les concentrations
d?énergie
des particules,
sont sans commune
renconmesure
BULLETIN
Fig. 5. -
Eléments
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
de base d?une expérience
de physique
des particules.
BULLETIN
DE
L?UNION
Concentration
de
(3.5
objet
DES
loi5
masse
~olurne
(kg)
(dm
1)
l?énergie
noté
3.5
El9
vitesse
3
)
m
-1
s
1
E
E/V
(J)
J dm
CO?rellr
80
100
10
4E3
guépard
80
100
30
3.6E4
éléphant
3E3
5E3
20
insecte
8E-3
lE-2
30
voiture
lE3
5E3
50
avion
TE5
6E5
fusée
lE4
3E3
Terre
6E24
1.2E24
2.9E4
électron
lE-30
,E-424)
2E-27
1 E-423)
47
PHYSICIENS
E/m
-3
J kg-?
40
50
360
450
6E5
120
200
3.6
360
450
1.2E6
250
1.2E3
300
4.5E9
7.5E3
4SE4
lE4
5Ell
1.6E8
5E7
2.5E33
2E9
4.2E8
8E-13
8E28
8E16
1.6E-10
1.6E32
1E172)
--
(repos)
électron
(1
ljdonnées
très
mise
au
approximatives
point
de
intéressants,
2)1E17
gie
c2
admet
viste
en
des
raisons
du
volume
?volume?
est
mesuré
v _
limite
de
simplicité,
+
but
(re
de
cycle;
E/m
données
plus
constituer
-
c
ex:
2
.
une
volume
La
du
réalistes,ou
source
corps
la
d?exercices
humain).
concentration
massique
d?éner-
absolue.
nous
particules
un
collection
mesure,peut
ler
c
une
des
dans
il
de
au
effet
donc
grossière
dont
(la
scénariis
notamment
I
3)pour
4)le
3E8
GeV)
passons
élémentaires
ne
d?illustration;
-r
ce
- 10
-13
sous
cm)
peut
volume
c?est
silence
être
dépend
à
dire
la
défini
en
de
variation
la
relati-
que
fait
sonde
de
de
façon
la
façon
employée.
P
Fig. 6. -
Concentrations
d?énergie.
avec les valeurs usuellement
rencontrées.
En fait l?accélération
de
particules,
c?est-à-dire
la condensation
d?énergie
cinétique,
est le
seul scénario
actuellement
disponible
pour réaliser
des effets
intéressants
en physique
des particules.
C?est ce qui explique
l?importance
prise par l?accélération
de particules
comme
outil ?de
recherche.
On peut résumer
lez créer une paire
ceci par la recette
particule-antiparticule
suivante
: « si vous voude masse totale
M,
u
48
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
débrouillez-vous
pour
concentrer,
dans une région
d?environ
10-u cm de diamètre,
une énergie
au moins
égale à MG;
VOUS
obtiendrez,
à chaque essai, divers objets et vous finirez,
au bout
d?un certain
nombre
d?essais, par obtenir
satisfaction
».
11.4. Mécanisme
de l?interaction
(fig.
7).
L?interaction
est détectée
par la variation
impulsion
k (E, P) ; elle résulte
de l?échange
teraction
e6tre le projectile
et la cible.
de la quadrid?un boson
d?in-
Selon que l?interaction
élémentaire
est forte, EM, faible,
il
y a échange de gluon, photon,
W*, Zo. C?est ainsi que la diffusion
d?un électron
par un proton
s?opère par échange d?un photon
(virtuel) éntre l?électron
et le proton.
C?est le ,photon
?d?interaction
quadri-impulsion
déposée par
qui transfère
au proton-cible
l?électron
incident.
On en déduit
donc la relation
entre
ton et celles, initiale
et finale de l?électron
la 4-impulsion
:
du
la
pho-
q = &--Ic?.
Cette
problèmes
relation,
délicats
très
:
simple
en apparence,
* Nous sommes
obligés
d?admettre
masse non nulle, contrairement
effet :
k+k?3q2+0=+~~#0
en fait
deux
des photons
d?interaction
de
à celle des photons
« réels ». En
(ICZ
- = wzup) (c =
6.
pose
1).
* Au point A d?émission
du photon
d?interaction,
la conservation
de l?énergie-impulsion
est violée,
ce qui traduit
le fait qu?un
électron
isolé ne peut spontanément
émettre
un photon
réel.
On peut vérifier
qu?au
point
d?absorption
B, on opère
une
violation
identique,
mais de signe contraire
à celle du point A :
globalement,
la situation
de respect de conservation
de l?énergieimpulsion
est rétablie.
Mais ce qui se passe aux points A et B
doit, bien sûr, être assumé
: on l?assimile
à une fluctuation
AE,
tolérable
durant
un temps
ht tel que BE At -fi
(relation
~'HEISENBERG}.
tuel
Autrement
dit : plus la masse (donc l?énergie)
du photon
virest élevée, plus sa durée de vie et sa portée
sont courtes.
Par ailleurs,
virtuel
:
remarquons
que si L est le parcours
AE/?*,At\*L=cAtI
du photon
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
49
PHYSICIENS
0A
0
B
@T
@?
?
Fig. 7. -
Mécanismes
de base de concentration
d?énergie.
50
BULLETIN
De façon
plus
DE
précise,
ii
M = -
DES
on montre
PHYSICIENS
que
:
1
-
c
où M est la masse
L?UNION
197,328
-+ h&v)
= ~-
L
du vecteur
bd
de l?interaction
et L sa portée.
Ces photons
un peu exotiques,
massifs,
et trop éphémères
pour être détectables,
responsables
du mécanisme
d?interaction
électromagnétique,
sont appelés
« photons
virtuels
». Des considérations
semblables
s?appliquent
aux autres
modes
d?interaction (Wi, Zo, gluons,
virtuels).
Nous voyons
aussi que ce n?est pas la valeur
de l?énergie
incidente
qui est la variable
intéressante,
mais la valeur de l?énergie transférée
(la 4-impulsion
en fait) : plus le transfert
est élevé,
plus petite est l?échelle
des distances
explorées
par la sonde.
On ne peut bien sûr transférer
davantage
que l?énergie
du
projectile...
bien moins
en réalité,
à cause de l?énergie
emportée par le mouvement
du centre de masse : on comprend
-donc
que pour opérer
des transferts
élevés, nécessaires
pour explorer
les faibles échelles
de distance,
il faille des machines
d?énergies
croissantes.
Remarquons
que, dans le cas de la collision
frontale
e+ e-,
toute
l?énergie
disponible
est convertie
en un photon
virtuel.
Compte
non tenu des difficultés
de réalisation
de ces machines,
c?est donc ce monde
de réaction
qui est le plus efficace.
Ces
machines
ont par contre
l?inconvénient
d?un taux de réaction
(luminosité)
plus faible,
car la densité
des faisceaux
(qui jouent
ici le rôle de cible) est très inférieure
à la densité
d?une cible
solide.
11.5. Quelles
particules...
pour
quelle
physique
?...
On ne peut accélérer
que des particules
chargées et stables
seuls électrons
et protons
sont donc disponibles
pour produire
des faisceaux
primaires.
:
Les flux de particules
non stables (pions,
muons,
hypérons)
ou neutres (neutrinos,
photons)
sont obtenus
en faisceaux
secondaires,
issus de réactions
produites
par action
d?un
faisceau
primaire
sur une cible. Parfois
davantage
d?étapes
sont nécessaires pour
une bonne
pureté
de faisceau.
Plus les étapes
se
multiplient,
plus le rendement
est faible
(à chaque
étape
on
perd plusieurs
ordres de grandeur
en intensité
de faisceau).
La fig. 8 détaille
quelques
utilisations
possibles
des différents
faisceaux
pour l?étude
des différentes
interactions.
Le choix est
vaste. Bien remarquer
que les hadrons,
aux énergies
actuelles,
n?interagissent
pas en tant que tels, mais par leurs constituants
BULLETIN
LEPTONS
DE
L?UNION
te, y, v 1
DES
FAISCEAUX
DE
5t
PHYSICIENS
HADRONS(P.
9,-K)
52
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
élémentaires
: les quarks
(un choc pp est en fait un choc q 4,
les autres quarks
étant spectateurs,
en première
approximation).
En fait chaque type de faisceau
a ses avantages
et ses inconvénients,
tant techniques,
que physiques.
Tous ont contribué
aux
connaissances
actuelles
; il n?y a pas de chasse gardée.
III. PRODUCTION
DE PARTICULES
D?ENERGIES
ELEVEES.
111.1. Généralités.
Accélérer
une particule,
c?est lui conférer
de l?énergie
cinétique.
Aux énergies
cinétiques
faibles,
ceci se traduit
principalement
par une variation
de vitesse. Aux énergies
élevées, quand
la vitesse
est pratiquement
luminale,
l?accélération
s?opère
à
vitesse quasi constante
(e c) par augmentation
de la masse.
Le développement
des accélérateurs
de particules
s?est opéré
en quatre
phases, dont chacune
correspond
à l?utilisation
d?un
concept
neuf qui a généré une nouvelle
classe de machines.
La
quasi totalité
des accélérateurs
qui ont survécu à la compétition,
peuvent
être classés en quatre
catégories
:
- accélération
électrostatique,
- accélération
résonnante,
-
accélération
focalisation
synchrone,
par gradients
alternés.
L?accélération
par application
de champs
statiques
est conceptuellement
la plus simple.
Ses possibilités
sont sévèrement
limitées par les problèmes
d?isolation
(environ
1 mètre
par MeV).
A noter le travail
actuellement
en cours au Centre de Recherches
Nucléaires
de Strasbourg
pour repousser
ces limites
(projet
Vivitron ; production
d?une machine
statique
de 30- 50 MeV).
Le principe
de l?accélération
résonnante
consiste
à soumettre
un faisceau
de particules
à un champ
radiofréquence
modeste,
mais en résonance
avec le mouvement
des particules.
A chacun
de ses passages, la particule
gagne de l?énergie.
Cette technique
a été appliquée
à des machines
linéaires
(linacs)
et circulaires
(cyclotrons).
Si elle évite le problème
des hautes tensions,
cette
technique
est cependant
limitée,
notamment
par des effets relativistes
qui dé-synchronisent
les particules
rapides
par rapport
aux particules
lentes.
Le procédé
d?accélération
synchrone
comporte
un raffinement
supplémentaire
: la phase entre le champ
accélérateur
oscillant
et le passage des particules
est gardée constante,
ce qui permet
de garder la condition
de résonance
pour un nombre
arbitraire
de passages. Cette technique,
qui regroupe
nécessairement
le faisceau en paquets
de particules
(bunch),
est la seule qui permette
d?atteindre
des énergies
élevées.
BULLETIN
DE L?UNION
DES
53
PHYSICIENS
La focalisation
à gradients
alternés,
repose
sur une succession de focalisations
et de défocalisations
du faisceau
de particules, qui permet
de réduire
les aberrations
du faisceau
(un peu
comme
dans une optique
photographique
moderne
où la qualité
de l?image
(« piqué D) est obtenue
par alternance
de doublets
convergents
et divergents
et d?éléments
fortement
ou faiblement
dispersifs).
Le résultat
de cette structure
optique
électromagnétique sophistiquée,
répartie
tout le long de l?accélérateur,
est de
confiner
très fortement
les particules
autour
de la trajectoire
d?équilibre
: les tubes à vide et, par conséquent
les aimants
de
courbure,
voient
leur taille notablement
réduite,
ce qui entraîne
une amélioration
sensible
du fonctionnement,
et des économies
de construction
considérables.
Toutes
les machines
modernes
d?énergie
élevée, reposent
désormais
sur ce principe.
La
mances
fig. 9 illustre
l?évolution
des accélérateurs.
de la technique
et des perfor-
100 TN
1 TW
E.L.
V. d. G.
Fig. 9. -
Evolution
de la technique
d?accélération
des particules.
54
BULLETIN
111.2. Principe
DE
L?UNION
de l?accélération
DES
PHYSICIENS
(fig.
synchrone
10).
L?accélération
des particules
est réalisée,
dans cette philosophie,
par des tubes T, Ta T, . .. T, (dits tubes de glissement)
régulièrement
espacés,
entre
lesquels
règne
un champ
oscillant
z, tantôt
accélérateur,
tantôt
retardateur.
Ë
Fig. 10a. -
Fig. 10 b. -
Dipôle
Principe
(courbure)
de l?accélération
et quadrupôle
synchrone.
,(focalis,ation)
magnétiques.
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
F D
-- -DC-_
__8 +y
2 + A ---- -_
z
.daosL
DC
_---
Fig. ~OC. - Structure
d?une cellule
magnétique
chrotron DC : dipôle de courbure,
: quadrupôle
de focalisation,
D : quadrupôle
de défocalisation.
La période
par une particule
consécutifs.
La phase
55
du champ
est synchronisée
pour franchir
la distance
est calée
pour
de base
qui
d?un
syn-
avec le
sépare
temps
mis
deux tubes
se situe
entre
que la particule
deux
Ê
tubes quand
le champ
est accélérateur,
mais se situe à I?intérieur
de l?un des tubes dans le cas contraire.
Dans ce dernier cas, le tube agit comme
une cage de FARADAY, dans laquelle
le champ électrique
est nul (ou très faible)
: la particule
est protégée de l?effet retardateur
du champ
(quand
celui-ci
est négatif). Globalement
la particule
ne « voit » le champ
celui-ci
« a le bon signe ». Tout se passe comme
était soumise
à un champ
accélérateur
moyen.
?É
que quand
si la particule
Pour des raisons de commodité
(stabilité
de phase), et parce
que la physique
concerne
une vaste gamme
d?énergies,
on préfère accélérer
les particules
dans différentes
machines
successives d?énergie
croissante,
plutôt
que dans un seul appareil,
chaque
machine
servant
à la fois d?injecteur
à la machine
suivante et de facilité
expérimentale,
dévolue
à une certaine
fenêtre
de physique.
Dans le cas ?du super-synchrotron
les étapes sont les suivantes
:
- sources d?ions
- linacs
- proton-synchrotron
(PS)
- super-proton-synchrotron
SPS
(SPS)
Dans le cas du collisionneur
européen
construction
(LEP)
(2 x 70 GeV d?électrons)
sert lui-même
d?injecteur
(fig. 12).
du
C.E.R.N.
(fig.
ll),
0 +
600 MeV
+ - 20 GeV
+ - 450 GeV.
e+ e- actuellement
le super-synchrotron
en
56
Fig. 11. -
BULLETIN
DE L'UNION
Le super-proton-synchrotron
DES PHYSICIENS
(SPS)
du C.E.R.N.
(450 GeV).
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
l?HYSICIEN$
57
.
Fig. 12. -
Etapes
d?accélération
pour
le projet
LEP.
58
BULLETIN
111.3. Eléments
-
-
constitutifs
d?un
DES PHYSICIENS
synchrotron
moderne.
Ces éléments
sont :
jeu d?injecteurs
d?énergies
maximales
croissantes,
tube
« circulaire
» à vide
(« pipe » dans lequel
circule
le
faisceau et où règne un vide poussé (10-s à 10-Q Torr),
aimants
de courbure
(dipôles
fournissant
un champ
magnétique
vertical
donc une déflexion
horizontale
incurvant
la
trajectoire
-
DE L'UNION
; F =
$A
B),
éléments
optiques
(quadrupôles),
focalisants
et défocalisants,
situés entre les aimants
de courbure,
de place en place, optiques?
de correction
(sextupôles),
blindages
anti-radiations
(béton,
fer, terre),
prises
de mesure
(position
faisceau ; intensité
; contour
faisceau...),
commandes
et contrôles
(gérées
par un ensemble
de calculateurs).
IV. DETECTION
DES PARTICULES.
Détecter
une particule
milieu
matériel
sensible
un signal observable.
c?est la mettre
(détecteur)
dont
en interaction
avec un
le rôle est de fournir
Lorsqu?une
particule
traverse
un milieu
matériel,
elle POSsède une certaine
probabilité
d?interagir
avec ce milieu
selon
différents
mécanismes.
Cette interaction,
quand
elle a lieu, peut
se traduire
soit par une disparition
de la particule
lors d?une
réaction
plus ou moins compliquée,
disparition
qui s?accompagne
de produits
divers, soit par un simple
dépôt d?énergie/impulsion
de la particule
dans le milieu.
La probabilité
d?interaction
entre
la particule
et le milieu
est évidemment
proportionnelle
à la
section
efficace
du mécanisme
considéré
et au nombre
de
centres
d?interactions
potentiels
qu?elle
trouve
sur son passage
(par exemple
le nombre
de noyaux
par centimètre
d?épaisseur
de cible).
Le tableau
ci-après
donne
quelques
ordres
de grandeur de sections
efficaces
de détection.
Détection
-
-
(mécanisme)...
traces (ionisation
du milieu
par
une particule
chargée ; int. EM).
hadrons
neutres
(interactions
fortes
entre
le hadron
et un
noyau
atomique)
. .
. .
neutrinos
(interaction
faible)
.
ondes gravitationnelles
(int. gravitationnelle)
.. .. ...
.
Section
efficace
(barn
=
10-34 cm*)
5 104- 105 b
1 à 10-3 b
10-14 b
< 10-4"
(non
encore
détectées)
BULLETIN
DE L?UNION
DES PHYSICIENS
59
Quand la particule
incidente
est électriquement
chargée,
les
mécanismes
qui dominent
son interaction
avec les milieux
matériels sont de nature
électromagnétique
à transferts
faibles
donc
à sections efficaces élevées ( - A*) (forte probabilité
d?interaction,
peu d?énergie
déposée par unité de longueur
de trace). La détection des particules
chargées
peut donc s?opérer
avec des détecteurs peu denses, perturbant
très peu la particule
(on parle parfois de détecteurs
« transparents
>>).
Quand
la particule
incidente
est électriquement
neutre,
son
interaction
est soit E.M. (photons),
soit forte (hadrons
neutres),
soit faible (neutrinos).
Dans les deux derniers
cas, les sections
efficaces sont beaucoup
plus faibles
: la détection
des particules
neutres
s?opère généralement
avec des détecteurs
volumineux
et
denses. La détection
d?une particule
neutre
s?opère toujours
par
sa destruction.
IV.l.
Interaction
des
particules
chargées
avec
un milieu
matériel.
Lorsqu?une
particule
chargée traverse
un milieu
matériel,
elle
dépose une certaine
quantité
d?énergie
par interaction
électromagnétique.
Différents
mécanismes
sont disponibles
(fig. 13),
dont les principaux
sont :
- ionisation
du milieu
(arrachement
d?électrons
atomiques
ou
moléculaires).
Dans certaines
substances
l?ionisation
s?accompagne d?excitation
du milieu
avec émission
de lumière
: on
parle de substances
scintillantes
ou scintillateurs,
- effet CERENKOV. Emission
d?un cône de lumière,
par une particule chargée qui traverse
un milieu
matériel
transparent
d?indite n, avec une vitesse supérieure
à la célérité
de la lumière
dans ce milieu
(c/n),
- bremsstrahlung
(rayonnement
de freinage).
Emission
de photons par une particule
chargée
qui subit
une déflexion
au
voisinage
d?un noyau atomique.
IV.l.l.
(fig.
DÉTECTION
14).
DE L?EXCITATION
D?UN
SCINTILLATEUR
La conversion
de l?excitation,
en lumière
de scintillation
est
un processus
complexe,
qui a fait l?objet
d?études
approfondies
pour beaucoup
de milieux
(gaz nobles ; substances
minérales
;
substances
organiques
; liquides
; solides ; etc.).
Le signal de scintillation
est rapide (de 10-6 s à 10-g s selon
la substance)
et l?intensité
lumineuse
produite
est, en première
approximation,
proportionnelle
à la perte d?énergie
de la particule détectée
[ 1 photon
utile/100
eV pour les scintillateurs
organiques ; 1 photon
utile/25
eV pour l?iodure
de sodium
Na1 (TI)].
Pour un dépôt moyen d?énergie
de 15 MeVjcmz/g,
cela correspond,
8
zl
?Q
PERTES
ENERGETIQUES
DES PARTICULES
CHARGEES
DANS LA MATIÈRE
.w
Particule
I
g
i?
B
t;
il
E-8
v,
&
m?d
3R
eio?
2
xcr,
primaire
chargée-+
Production
de réaction
chimiqtie
Etat
excitk
\
Rayonnementypassage
Rayonnement
Rayonnement
de freinage
de CERENKOV.
Emission
d?électrons
supersous forme d?électrons
secondaires.
Lacune
d?électron
Neutralisée,
maie
?
en \état
Electron
(E <
libre
Ei)
~Retourne
mique
en équilibre
ther.
avec le milieu
+
Emission
de chaleur.
K
d
P
E:
z
ki
2z
8
8
z
2
z
l?électrode
Rayonnement
Lacune
A
+ photoélectron
\
Etat
excité
zv>
BULLETIN
DE
LkJNION
DES
61
PHYSICIENS
INCIDENT
LICHT
FACEPLATE
,-H
---_
*/--SEMI-Y,,
TRANSPARENT
PHOTOCATHOOE
-----
INTERNAL
CO~~A~~l;EI
t
FOCUSINC
ELECTRODE
ACCELERATINC
ELECTRODE
I-14: DYNODES
IS: ANODE
Fig.
14. -
Structure
pour
un scintillateur
150 photons
utiles par
d?un
plastique
centimètre
phototube
à 14 dynodes.
(d - 1) à l?émission
de trace.
d?environ
La détection
des faibles
niveaux
de lumière
produits
par la
scintillation
devint
possible
il y a environ
30 ans par l?introduction du photomultiplicateur
(fig. 14) qui assure la détection
des
photons
par effet
photoélectrique
sur une photocathode,
les
électrons
ainsi émis étant multipliés
par impacts
successifs
sur
des dynodes
disposées
en chaîne. Dans les meilleurs
tubes (12 à
62
BULLETIN
14 dynodes),
à la détection
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
un gain supérieur
à 108 est réalisé,
?de photons
individuels.
donnant
accès
La rapidité
(- 10-a s) du signal de charge (- 10 - 100 pC/part)
délivré
confère
au couple
scintillateur-photomultiplicateur,
un
caractère
unique,
en physique
des particules,
pour détecter
le
passage d?une particule
chargée.
A signaler,
cependant,
l?extrême
sensibilité
des phototubes
à l?action
d?un
champ
magnétique
externe
qui complique
leur utilisation
au voisinage
des aimants
d?analyse
[nécessité
de blindages
passifs
(mumétal)
ou actifs
(bobines
compensatrices)].
IV.1.2.
DÉTECTION
DE L'IONISATION.
L?ionisation
d?un milieu
matériel
procède en deux étapes :
- ionisation
primaire
par collision
- ionisation
secondaire,
c?est-à-dire
les électrons
d?ionisation
primaire
énergie cinétique
(chaque électron
3 ou 4 électrons
secondaires).
par
une ?particule
ionisante,
atomique,
arrachement
d?électrons,
par
qui dissipent
ainsi
leur
primaire
produit
en moyenne
L?ionisation
est caractérisée
par la perte d?énergie
par unité
de longueur,
dE/dn,
qui est fonction
de la nature du milieu
(Z, IQ)
et de la vitesse (U = i-k) de la particule.
?Pour
des particules
relativistes
monochargées,
et pour
un
milieu
donné, la perte d?énergie
dE/dx
décroît quand l3 augmente,
passe par un minimum
(appelé
minimum
d?ionisation)
pour
0,96, puis
tend
asymptotiquement
vers
un
« plateau n
Pquand
l3 - 1. Au voisinage
du minimum
d?ionisation,
la perte
d?énergie
par ionisation
est d?environ
1,s MeV par g. cm-3, et par
centimètre
d?épaisseur
traversée
et ce, en première
approximation,
indépendamment
de la nature
du milieu.
Si W est l?énergie
effective
(- 30 eV), nécessaire
pour créer
une paire d?ions, et si AE est l?énergie
cédée par la particule
au
milieu,
le nombre
total n d?ions est donné par :
n = AE/W.
L?énergie
cinétique
des électrons
d?ionisation
est faible. Leurs
parcours
est donc faible
lui aussi, ce qui signifie
que les électrons d?ionisation
restent
localisés
au voisinage
de la trajectoire
de la particule,
qu?ils
matérialisent
ainsi sous forme
de trace.
par une particule
charPour un gaz (1~ - 10-3 g/cm3) l?ionisation
globalement
quelques
,dizaines de paires
gée rapide (fi - l), produit
d?ions par centimètre
de trace.
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
63
Dans les détecteurs
visuels
la trace est matérialisée
par les
effets thermodynamiques,
chimiques,
électriques
de l?ionisation
[chambres
à bulles
ou à vapeur,
émulsions
photographiques,
chambres
à étincelles
ou à effluve
(streamer)].
Dans les détecteurs
électroniques
modernes
(chambres
proportionnelles
à fils, chambres
à dérive),
l?ionisation
est détectée
en trois étapes :
- dérive
des électrons
d?ionisation
sur une ?distance
plus OU
moins
importante
(cm + m) afin de les transporter
sous l?action d?un
champ
électrique,
vers des fils de détection
de
polarité
positive
(anodes),
- multiplication
des électrons
d?ionisation
par avalanche,
en mettant à profit
le champ
élevé (- 104 - 10s V/cm)
qui règne au
voisinage
d?un fil fin, porté à un voltage
important
(E, (T) =
k/r).
Valeurs
usuelles
de multiplication
: W- 104; valeur
extrême
: environ
106 ; au-delà de cette valeur
: arcs,
- induction
d?un signal
électrique
rapide
(< 10-b s) sur le fil
d?anode.
La structure
?du signal résulte
de la combinaison
?de
deux effets : capture
des électrons
d?avalanche
par le fil, et
répulsion,
par ce fil, des ions positifs
de l?avalanche.
IV.1.2.1.
Les détemcteurs de trace.
L?application
principale
de la détection
de l?ionisation
d?un
gaz par un fil d?anode,
est la mesure
des trajectoires
des particules chargées,
au moyen
de détecteurs
(appelés
chambres),
comportant
un grand nombre
de fils sensibles
parallèles
dispo
sés en plans successifs (fig. 15 c). Ces détecteurs
de traces peuvent
être regroupés
en deux grandes
classes :
- les chambres
proportionnelles
multifils
(fig. 15 a),
-
les chambres
à dérive
(fig.
15 b).
Dans les chambres
multifils
(fig. 15 a), les coordonnées
d?un
point d?une trajectoire
qui traverse
la chambre,
sont fournies
par
les numéros
de fils (croisés)
qui répondent
au passage
de la
trace. La précision
est donc donnée par l?espacement
des fils. En
multipliant
les couples de plans, on arrive à collecter
un nombre
de points,
suffisant
pour exprimer
analytiquement
la trajectoire
par lissage polynômial
(reconstruction
de trace).
Dans une chambre
à dérive (fig. 15 b), l?une des coordonnées
du point
d?ionisation
est reconstruite
par mesure
du temps
de
dérive, relativement
à un temps
t. ~(fourni par un scintillateur)
qui détermine
l?instant
du passage de la particule
chargée à travers la chambre.
Connaissant
?ce temps
et la vitesse de dérive
(- 5 cm/ys)
(préalablement
mesurée),
la coordonnée
correspondante est aisément
reconstruite.
On arrive, de la sorte, à des pré-
64
Fig. 15 a. -
BULLETIN
DE L?UNION
Principe
des chambres
DÉS
PHYSICIENS
proportionnelles
multifils.
=E----B--a
w-0
--.a
-,
---+--a
--j-m,
--,-.
tr
=E
--B--a
--
w-0
--.a
-,
----
+--a
---
--
j-m,
-
-,-.
l
7
-----,-,
Fig. 15 b. -
Principe
des chambres
à dérive ; noter l?économie
sensibles donc de canaux d?électronique.
de fils
BULLETIN
DE L?UNION
DES
65
PHYSICIENS
I
Fig.
15 c. -
Principe
de la
mesure
de la trajectoire
chargées.
&LCLtti,b,cb.nd(%-~ook'J)
Fig.
P,rincipe
15 d. .driques utilisées
des
particules
?
\
,
des chambres
ii projection
temporelle
auprès des collisionneurs
futurs
(LEP).
cylin-
66
BULLETIN
cisions en position
qui
de portée
des chambres
DE L'UNION
peuvent
multifils.
DES PHYSICIENS
être
inférieures
à 100 prn,
hors
Pour les collisionneurs
futurs,
on construit
actuellement
des
chambres
à dérive
dont le volume
sensible
peut atteindre
plusieurs mètres cubes (L : 3 m, 0 : 1,25 m). Ces chambres
(fig. 15 d)
permettent
la reconstruction
tridimensionnelle
des traces
: la
coordonnée
z de chaque
électron
d?ionisation
est obtenue
par
mesure
du temps
de dérive,
les deux autres
coordonnées
sont
obtenues
en combinant
la lecture,
par fil d?anode
et par cathodes
segmentées
en bandes
perpendiculaires,
aux fils d?anodes.
Ces
chambres
sont dites « à projection
temporelle
» (time
projection
chambers
ou TPC). La construction
de ces chambres
est extrêmement délicate,
car elle suppose l?utilisation
de tensions
de dérive
élevées (environ
100 kV) et de champs
électriques
parfaitement
homogènes
(1 kV/cm),
afin que la trajectoire
de dérive
soit
rectiligne.
La fig. 21 b) donne quelques
lutions
spatiales
des principaux
valeurs
typiques
pour
détecteurs
de trace.
les réso-
IV.1.3. L'EFFET CERENKOV (fig. 16~).
Lorsqu?une
particule
chargée se déplace dans un milieu
(appelé radiateur),
avec une vitesse u supérieure
à la célérité
de la
lumière
dans ce milieu
(C/M), un nouveau
mécanisme
de perte
d?énergie
se superpose
à la perte par ionisation
: l?effet CERENKOV
qui est une perte d?énergie
par émission
de rayonnement
électromagnétique
a des propriétés
très particulières
qui permettent
de
l?assimiler
à une véritable
onde de choc électromagnétique,
analogue aux ondes de choc acoustiques
:
Fig.
16~. -
L?effet
Cerenkov.
BULLETIN
DE L'UNION
d?onde
est
avec elle,
un
-
le front
déplaçant
-
les photons
sont émis perpendiculairement
selon un angle 6 fixé par la relation
:
cône
pointé
= I
u
sion
valeurs
(n est supposé
constant,
La mesure
de la vitesse
= -
de l?angle
et
à ce front
(fig.
se
d?onde
17).
et la lumière
la direction
Xi et X2 quelconques,
2~332
N(A,,;&)
la particule
fin
d?émission
est unique
dans le plan contenant
d?émission
du photon.
Entre
deux
est :
sur
1
C
cas t+ = Cet angle
ment polarisée
et la direction
67
DES PHYSICIENS
est complètede la particule
le spectre
d?émis-
1
-+)(1-i)
137 (y
ce qui n?est pas vrai
ift équivaut
CERENKOV
? de la particule
fi* n*
en général).
(fig.
à celle
16 b). Combinée
de 1s donc
avec celle
,de
l?impulsion
g cette mesure
donne accès à la détermination
de la
masse de la particule,
donc à l?identification
de la particule
(sans avoir à reconstruire
la quadri-impulsion
P) : c?est là tout
l?intérêt
de ce processus.
La précision
de reconstruction
de la
masse est :
dm
-=----+-.
m
On remarque
En effet :
aussi
1
1-P
que
l?effet
dfl
dP
P
P
CERENKOV
comporte
un
seuil.
1
cosf)<l
=S fl>-
= p,.
n
Pour
des vitesses
inférieures
à c/n,
l?émission
ne se produit
pas.
IV.1.3.1.
Détection
de l?effet
Cerenkov.
La perte d?énergie
par radiation
CERENKOV est beaucoup
plus
faible (102-W) que la perte d?énergie
par ionisation.
Par ailleurs,
la détection
des photons
s?opère toujours,
pour des raisons
techniques,
à l?intérieur
de certaines
fenêtres
limitées
de longueur
d?onde.
Pour
toutes
ces raisons,
l?intensité
CERENKOV utile
est
faible,
ce qui nécessite
des radiateurs
de longueur
importante
(?> 1 ml.
68
BULLETIN
Fig.
-
-
-
16 b. -
Principe
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
de la détection
des anneaux
Cerenkov.
Le miroir
sphérique
focalise le cône Cerenkov
sous forme d?anneau
:
les photons
Cerenkov
se répartissent
sur cet anneau.
Le plan image (où se trouve
l?anneau
Cerenkov)
est entouré
d?une
substance
gazeuse ionisable
par les photons
Cerenkov
: l?anneau
Cerenkov
est ainsi matérialisé
par des électrons
d?ionisation
(environ IO/anneau).
Les électrons
sont dérivés
(par un champ 2 - 1 kV/cm)
vers une
chambre
à fils de détection.
La reconstruction
de l?anneau
est obtenue
en combinant
l?information x, ye (chambre)
et z, de dérive z, = at, (temps
de dérive)
pour chaque électron.
L?enceinte
qui contient
le gaz photo-ionisable
(TMAE)
et où s?effectue la dérive
est équipée
d?une
fenêtre
de quartz,
transparente
à 1?UV lointain
(> 1 600 nm) nécessaire
à l?ionisation
du gaz.
On a la relation
avec
N,
L
NO
: N,
= NOL sin*6,
nombre
de photons
utiles (émis par le détecteur),
longueur
du radiateur,
facteur
de qualité
(varie
de 50 à 200 selon que
détecteur
est sensible
au visible
ou à 1?UV).
le
Au voisinage
du seuil (6 - 0), peu de photons
sont disponibles
: la détection
de l?effet CERENKOV devient
délicate.
A énergie élevée, l?angle
d?émission
des photons
s?ouvre
et tend vers
BULLETIN
une valeur
particules,
limite
ce qui
DE'L'UNION
69
DES PHYSICIENS
~8~ = Arc COS (I/n),
rend l?identification
commune
aux différentes
de plus en plus difficile.
On comprend
donc qu?en général les identificateurs
CERENKOV
sont des appareils
délicats,
optimisés
en vue d?une
certaine
fenêtre cinématique
et pour un couple donné de particules
[(x, K) ;
(Kp)]
(e, p) ; etc. Pour cette raison,
ces détecteurs
apparaissent
souvent
par couples
complémentaires.
Relative
Fig. 17. -
Angle
velocity
P = vlc
Cerenkov en fonction
de l?indice
de la vitesse fi de la particule.
IV.1.3.2.
Structure
de l?identificateur
n du radiateur
et
Cerenkov.
Un identificateur
CERENKOV comporte
toujours
deux éléments
fondamentaux
:
- un radiateur
dont le rôle est de produire
sélectivement
la
lumière
CERENKOV,
- un détecteur
de lumière
qui transforme
la lumière
CERENKOV
en un signal qui doit constituer
la signature
d?un type donné
de particules
(J-C; K; P ; p; e ;...J
BULLETIN
70
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
Les radiateurs
CERENKOV, couramment
utilisés
en physique
des particules,
sont ,d?indice w(1) variant
de 1 à 2 ou plus (fig. 18).
**
*
Radiateur
n-l
Scintillateur
5.8
E-l
1.3
Li
4.0
E-l
1.43
4.0
E-l
1.43
2.8
E-l
1.60
F
Plexiglass
FC
75
(fréon)
7
Néon
I iquide
2.0
E-l
1.81
Hyd.
liquide
1.1
E-l
2.40
2.1
E-2
5.0
He
liquide
(2-10)
Aerogel
E-2
Remarques
seuil
liquide
le
Solide
2-5
peut
Propane
1.7
E-3
17
CO2
4.3
E-4
34
moins
transparent.
être
L?indice
ajusté
la
fabrication
gaz
les
plus
hfringeants
(NTP)
He
*
3.3
spectre
*.
123
E-5
visible
= (l-
TS
Fig. 18. -
Bs2)?$
avec
Propriétés
6
S
= l/n
Cerenkov
de quelques
réfringeant
radimateurs
usuels.
durant
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
71
Le tableau
de la fig. 18 résume
les propriétés
d?identification
de
diverses
substances.
On remarquera
que les énergies
élevées
(fi - 1 ; y ?-f 00 ) sont du domaine
des radiateurs
gazeux, alors que
les énergies plus modestes
(y - 1 à 10) sont du domaine
des radiateurs solides
ou liquides.
On remarquera
également
que les indices de 1,02 à 1,l couvrent
des valeurs
de p - 0,96, ce qui correspond
au « minimum
d?ionisation
» où toutes les particules
se
comportent
de façon similaire
par rapport
à l?ionisation
: dans
ce domaine,
l?effet CERENKOV est la seule technique
qui permette
de différencier
les particules.
On remarquera
enfin la souplesse
que procure
l?utilisation
de radiateurs
gazeux
: l?indice
n du
radiateur
est déterminé
par la pression
P du gaz [(n - 1) =
(Q1) P où ~Z+Idésigne l?indice
du gaz à pression
atmosphérique)].
Dans la pratique,
les identificateurs
CERENKOV se répartissent
en deux grandes
classes, selon que l?on détecte
seulement
l?intensité de la lumière
ou également
sa répartition
spatiale
:
-
les détecteurs
les détecteurs
à seuils,
à anneaux.
Les détecteurs
CERENKOV à seuil utilisent
l?effet de seuil qui
correspond
à une variation
très rapide
du nombre
de photons
émis (due à une forte variation
de l?angle),
ce qui correspond
à un effet facile
à détecter
(E = 1 -exp
(-NY)
où E désigne
l?efficacité
de détection).
Pour identifier
sur de larges domaines
(1 - 10 - 100 GeV) les a,
p, K produits
par les réactions,
on utilise
souvent une succession
de compteurs
à seuils
qui couvrent
chacun
une fenêtre
bien
particulière.
L?identification
est alors obtenue
par la combinaison
des différentes
informations.
Dans les détecteurs
à anneaux
(Ring
Imaging
Cerenkov)
(fig. 16 b), le cône de lumière
est focalisé
sous forme
d?anneau,
par un système
de miroirs
(ou de lentilles)
: la mesure
du diamètre de l?anneau
donne accès à l?angle
CERENKOV puis à l?identité
de la particule.
Cette technique,
en plein développement,
fournit
l?information
maximale.
Elle donne accès, par combinaison
de
2 radiateurs
(liquide,
gaz), à l?identification
simultanée
des e, TC,
K, p dans une large gamme
d?énergies
(1 à 50 GeV). Des résolutions
.A@/fi de 10-b à 10-7 sont accessibles.
IV.1.4.
LE RAYONNEMENT
DE FREINAGE
(bremsstrahlung).
11 s?agit du rayonnement
émis par une particule
chargée
subit une accélération
(déflexion).
Nous verrons
que l?effet
notable,
aux énergies
actuelles,
que pour les électrons
et les
tons qui peuvent
subir, en vertu de leur faible masse, des
lérations
importantes
de la part du champ coulombien
qui
dans la matière.
qui
n?est
posiaccérègne
72
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
L?émission
de rayonnement
de freinage
peut également
obtenue
par déflexion
magnétique
du faisceau
d?électrons
synchrotron
: on parle alors de rayonnement
synchrotron.
Le processus
d?interaction
par bremsstrahlung
tron et un noyau de charge Z s?opère par échange
est résumé
par le diagramme
de la fig. 19 a.
Fig.
être
d?un
entre un élecde photon.
Il
19a. - ?Mécanisme
de production
de rayonnement
de freinage
par un électron
au voisinage d?un noyau de charge Ze.
La perte moyenne
matériau
et par g/cmJ
dE
-=
dx
d?énergie
(par centimètre
de matière)
est :
63
4Jc brz* ( -Y
137
m0S
d?épaisseur
de
183
Cln
3j/z
?1
Eo.
+18
On remarque
que la perte d?énergie
par bremsstrahlung
est
d?autant
plus importante
que :
- la masse (de la particule
chargée
incidente
est faible.
L?effet
est très important
pour les électrons
et les positons
(m0 0,5 MeV).
Pour les muons
(m. - 100 MeV),
l?effet
est déjà
(200)2 = 4 104 fois moins important
que pour les électrons,
- l?énergie
incidente
& est élevée (aux énergies
futures
de 10 100 TeV, l?effet
bremsstrahlung
sera visible
même
sur des
protons),
- le numéro
atomique
du radiateur
est élevé.
La fig. 19 b donne l?importance
relative
des pertes d?énergie,
par ionisation
et par bremsstrahlung,
des électrons
(ou des positrons) dans l?air et dans le plomb
: au-delà d?une certaine
énergie, appelée
« énergie critique
» et notée E,, la perte d?énergie
par
bremsstrahlung
prédomine
sur la perte par ionisation.
On constate
BULLETIN
DE L?UNION
DES PHYSICIENS
Energie
E, MeV
Fig. 19 b. - Importance
comparée
des pertes d?énergies par ionisation
(collision)
ou par rayonnement
de freinage pour des électrons (positons) ?dans l?air et le plomb.
également
incidentes
l?énergie
qu?elle
tend vers une valeur
limite
pour
supérieures
au GeV. La fig. 20 a fournit
critique
pour quelques
matériaux.
des énergies
la valeur
de
Ce mode de dissipation
d?énergie,
par émission
de photons,
spécifique
aux électrons,
sera mis à profit
pour la mesure
de
l?énergie
totale
des électrons
et des photons
(voir calorimétrie
électromagnétique).
lV.2.
Détection
Rappelons
pagne toujours
des
particules
que la détection
de sa destruction
neutres.
d?une particule
(changement
neutre
s?accomde nature).
BULLETIN
74
DE L'UNION
Substance
Ec
Hydrogène
340
Carbone
102
Eau
Air
DES PHYSICIENS
(MeV)
820
19.8
83.8
(NTP)
Aluminium
(cm)
X0
37.1
83.8
2.87
48.8
9.1
Fer
24.3
1.83
Cuivre
21.8
1.52
Plomb
7.8
Fig. ~OU. -
Longueurs
IV.2.1.
?de radiation
substances
DÉTECTION
E4
0.58
et énergies
typiques.
critiques
DES PHOTONS ÉNERGIQUES
(>
de quelques
1 KeV).
L?interaction
des photons
énergiques
avec la matière
est régie
par trois processus
fondamentaux
qui dominent
tour à tour quand
l?énergie
du photon
incident
croît :
-
effet photoélectrique
fondes de l?atome
par
(?y + e-) : ionisation
le photon
incident
des couches
(qui disparaît)
-
effet Compton
(y e -* y? e?) : perte d?énergie
du photon
disparition)
par diffusion
sur un électron,
auquel
une
de l?énergie
du photon
incident
est transférée
;
-
effet de paire
(?y+ e+ e-)
forme d?une paire e+ e-.
La fig. 20 b donne
cessus : on constate
: matérialisation
du
photon
pro;
(,sans
partie
SOUS
la section
efficace
de chacun
de ces proqu?à énergie
élevée l?effet
de paire,
par
Contributions
à la section
carbone
et le plomb.
?
?
ENERGIE
?
?
DU
?
PHOTON
?
?
efficace
d?absorption
du photon
dans
le
?
ENERGIE
DU
PHOTON
effet photoélectrique
atomique
(éjection
d?un électron,
absorption
du photon),
diffusion
cohérente
(diffusion
Rayleigh
atome
ni
ionisé,
ni
excité),
QCOH
=
diffusion
incohérente
(diffusion
Compton
sur un électron),
CINCOH
=
ZZZ production
de
paires,
champ
nucléaire,
K,
= production
de paires,
champ
électronique,
K,
habituellement
suivie par l?émission
photonucléaire
(absorption
nucléaire,
~I?H.N.
= absorption
d?une autre
particule).
From Hubbell,
Gimm, and Overbo,
J. Phys. Chem. Ref. Data 9, 1023 [1980). Figures
courtesy
7
=
d?un
neutron
J.-H.
Hubbell.
ou
76
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
10 000
1000
100
d
c,
D
0
2
1
,
0
Fig. 20 c. -
L
Cascade électromagnétique
Fig. 20 d. interaction
dominant.
constante.
que soit la
1
L
1
8
12
16
20
apth n pb [Xo]
du photon
La section
Il s?agit là
nature du
Principe
dans le plomb.
de la calorimétrie.
avec le champ électrique
nucléaire,
devient
efficace tend vers une limite
pratiquement
d?un fait général
que l?on retrouve
quelle
milieu
matériel.
BULLETIN
IV.2.1.1.
DB L'UNION
Cascades
DES PHYSICIENS
(gerbes)
77
électromagnétiques.
L?émission
de photons
de bremsstrahlung
par les électrons,
ainsi que la création
de paires e+ e- par des photons
énergiques,
sont les interactions
dominantes
pour des électrons
et des photons d?énergies
incidentes
élevées. Par ailleurs,
les sections
efficaces respectives
tendent
vers une limite
et deviennent
pratiquement indépendantes
de l?énergie
au-delà
du GeV. La similitude
est encore
plus profonde
car la probabilité
d?interaction
d?un
photon
?(par création
de paire)
et celle d?un électron
(par émission de photons
de bremsstrahlung
avec un milieu
matériel
peuvent
être exprimées
en fonction
d?un paramètre
unique
: la
longueur
de radiation
Xc, donnée par la relation
:
A
&(g/cmz)
= 716 -
183
In-1
( Y)
z2
Les particules
secondaires,
sont elles-mêmes
des électrons
à leur tour interagir.
(fig.
20 a).
?JZ
produites
par ces interactions,
et/ou
des photons
et pourront
Si l?extension
du milieu
matériel
est suffisante
(L » &) il y a
développement
d?une cascade de processus
successifs
d?émission
et d?annihilation
de photons,
et ceci, que la particule
incidente
ait
été un photon,
ou un électron.
Dans une première
étape (développement
de la cascade),
il
y a production
croissante
de particules
secondaires
(e, .y), jusqu?au moment
ou l?énergie
moyenne
des photons
devient
suffisamment
faible
(E < 2 mec2 - 1 MeV)
pour
que la création
de
paires, qui est le processus
multiplicatif,
cesse, et que l?énergie
des électrons
formés
devienne
plus petite
que l?énergie
critique,
ce qui stoppe quasiment
l?émission
de photons
par les électrons.
Dans une seconde étape, la cascade décroît.
L?énergie
initiale
est alors répartie
sur de nombreux
produits
secondaires
(e, y) qui
dissipent
leur faible
énergie
moyenne
par diffusion
Compton,
puis ionisation
puis thermalisation.
La cascade est alors terminée
(durée de vie environ
10-S - 10-9 s selon extension
spatiale).
Bien qu?une
cascade électromagnétique
soit un processus
statistique,
on peut lui associer
un rayon moyen
Ru (dit rayon
de MOLIÈRE), une profondeur
DM et une ouverture
angulaire
< iB >.
par
Ces différentes
des relations
grandeurs,
simples
:
Rhl--
exprimées
21 x,
EC
en unités
X, s?expriment
BULLETIN
78
DE L'UNION
<6>-0,75
DES PHYSICIENS
21 E
b-d)
c
Dn-ln
La profondeur
le nombre
maximum
s-1,0.
c
Du est la profondeur
NM de particules
NM = 0,15 $
RM
DM
N??I
<*>
comporte
In fa.
c
Exemple
(fig. 20 c) : radiateur
7,8 MeV);
& = 5 GeV.
où la cascade
:
c
de plomb
(X, - 6 mm,
E,
=
-3%
= 18 mm
-5X0
= 30mm
- 100 particules
- 2 rd.
IV.2.2. DÉTECTION DES HADRONS NEUTRES ET DES NEUTRINOS.
A l?exception
des photons,
la détection
des particules
neutres
est toujours
délicate
à cause de la quasi-absence
de la possibilité
d?interaction
électromagnétique.
Les neutrinos
ne peuvent
interagir
que pa#r l?interaction
faible
dont la section
efficace
est très faible (environ
10-B cm9 : une
détection
efficace est donc impossible
(un neutrino
peut traverser la terre sans interaction).
Signalons
cependant
que l?efficacité de détection
très faible
peut être compensée
par un flux
induites
par neutriélevé des neutrinos
incidents
: les réactions
nos ont pu être étudiées
à l?aide de ,détecteurs
massifs (103 - 104 T)
associés à des flux intenses
de neutrinos,
produits
par des accélérateurs.
Mais,
quand
ils apparaissent
isolément,
comme
produits
de réaction,
les neutrinos
ne peuvent
être « détectés s
que
par
des considératiops
cinématiques
(quadri-impulsion
manquante).
Le cas des hadrons
neutres
est moins
rentes propriétés
peuvent
être utilisées
:
- utilisation
du moment
magnétique
dont
magnétique
permet,
en principe,
d?engendrer
Dans la pratique,
il s?agit d?un effet très
utilisé,
- si la particule
est instable,
elle peut être
produits
de décomposition,
surtout
si ceux-ci
ter (A0 ?4 prc- ; ti 9 ?yy ; etc.).
dramatique.
Diffé-
la
nature
électrode l?ionisation.
faible
non encore
détectée
par les
sont aisés à détec-
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
79
Dans le cas général,
seul le scénario
d?interaction
forte est
disponible
: la .particule
est détectée par les produits
de réactions
par interaction
forte. Les sections
efficaces
sont faibles,
ce qui
suppose
des détecteurs
volumineux
et denses, très perturbatifs
pour les autres
particules.
Le plus souvent,
on se contente
?de
mesurer
l?énergie
totale
des hadrons
neutres
par initiation
de
cascades
hadroniques
dont la dynamique
et la structure
sont
beaucoup
plus
compliquées
que celle
des cascades
électromagnétiques.
IV.2.3.
CALORIMÉTRIE.
La calorimétrie
(ainsi appelée
par analogie
historique
avec
les déterminations
d?énergie
calorifique)
mesure l?énergie
des particules, par absorption
totale de ces particules
dans un détecteur
appelé
« calorimètre
». Il s?agit
donc d?une mesure
destructive,
appliquée
indistinctement
aux particules
chargées
et aux particules neutres.
Un calorimètre
-
réalise
deux
fonctions
:
dégradation
de l?énergie
incidente
par un phénomène
de casca?de engendré
dans un radiateur
;
transformation
de l?énergie
déposée par la cascade en un signal
observable.
11 y a deux structures
de calorimètres,
selon que le radiateur
est passif ou actif : les calorimètres
hétérogènes
et les calorimètres homogènes
(fig. 20d).
Les calorimètres
hétérogènes
utilisent
des radiateurs
passifs
faits de matériaux
denses (Fe, Pb, U, W...). Ces radiateurs
ne
peuvent
évidemment
générer
?de signal
: on place en alternance
avec eux des ?détecteurs
d?ionisation
(scintillateurs,
chambres
à
fils) excités par les produits
de la cascade, et dont le rôle est de
bâtir le signal électrique
(Q) associé à l?énergie
incidente.
Dans les calorimètres
homogènes,
les cascades sont générées
dans un milieu
actif dense, où la cascade
produit
soit de la
lumière
de scintillation
(Nal, F&a),
soit de la lumière
CERENKOV
(verre au plomb),
soit de l?ionisation
(argon
liquide).
On parle
parfois
de radiateur
« actifs ».
L?énergie
des photons
et/ou des électrons
est mesurée
dans
des calorimètres
« électromagnétiques
», conçus pour favoriser
la
production
de cascades électromagnétiques
: le radiateur
devra
être de Z élevé (Pb, W, U) afin de présenter
une faible longueur
de
radiation
Xa, nécessaire
à la compacité
du calorimètre.
La probabilité
d?absorption
des photons
et des électrons,
indépendante
de
l?énergie
est en e-LIxO où L désigne l?épaisseur
du calorimétre
:
on fixe en général
L d?environ
20 à 40 &, ce qui conduit
à des
80
BULLETIN
type
de
Nal
(20X0)
verre
au
Argon
2%
plomb
(14X0)
liquide
(15.75
Pb.-Scint.
Sandwich
Pb.-Ch.
hadr.
X0)
(125
de
X0)
détecteur
Chambre
à bulle
Chambre
à streamer
Chambre
à fils
Chambre
à dérive
Résolution
/ fi
17%
/JE
JE
types cde oalorimètres.
résolution
résolution
en
r.l à 150
u
300 Il
300 !J
50 - 300 p
1
l?importance
/
spatiale
Emulsion
Fig. 21 b. -
a 12%)
16%
,de quelques
1 _ 10
selon
/ 44Ë
(10
(50 à 70 %) / J-Ë
10
Scintillateur
*
BE/E
40% IJE
à fils
hétérogène
Fig. 21 a. -
Type
DES PHYSICIENS
résolution
calorimètre
Sandwich
Cal.
DB L?UNION
de
cm
la
distance
1 ms
10
io-?s
50 ns
200 ns
2 ns
100
--_-
de
mort
2LJ
150
lJ
temps
temps
ps
10
a
io-?8
ns
*
à 30~s
ns
OD
dérive.
Résolutions
spatiales
et rapidité
de quelques
détecteur
de traces chargées.
types
de
épaisseurs
de quelques
?dizaines
de centimétres
selon le matériau utilisé.
Le volume
total, quoique
important
(- m3), permet
encore l?utilisation
de radiateurs
actifs transparents
dont le prix
est élevé, mais la résolution
en énergie excellente.
L?énergie
des hadrons
incidents
est déposée
par cascade
hadronique
dans des calorimètres
« hadroniques
». La nature
du
radiateur
est déterminée
par l?optimisation
des interactions
fortes
qui initient
la cascade : le fer est très souvent utilisé.
Le volume
des calorimètres
hadroniques
est toujours
(toutes
choses égales
par ailleurs)
plus important
que celui des calorimètres
électro-
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
magnétiques
: la structure
des calorimètres
jours hétérogène,
les parties
actives étant
soit des chambres
multifils.
La résolution
d?un calorimètre
la nature
statistique
de la cascade
mètre. La fig. 21 a donne quelques
V. LES SPECTROMETRES
V.1. Structure
générale
81
PHYSICIENS
hadroniques
est tousoit des scintillateurs,
est fortement
déterminée
par
et par la structure
du calorirésolutions-type.
MODERNES.
d?un
spectromètre
(fig.
22, 23).
Un spectromètre
est généralement
constitué
par l?association
d?un ensemble
de détecteurs
divers, dans le but de reconstruire
la quadri-impulsion
p de chacun
des produits
de la réaction.
Pour cela, on mesure
l?impulsion
? et l?énergie
totale
E. Bien
que la quadri-impulsion
identifie
de façon inambiguë
une particule, on a souvent
recours
à l?identification
électronique,
principalement
par effet CERENKOV, de certaines
particules
(jc, K, p),
ce qui permet
une opération
plus fine du spectromètre
et simplifie
l?analyse
des topologies
recueillies.
La mesure d?énergie
est destructive
: elle doit donc intervenir
en dernier
lieu. Par ailleurs,
les photons
et les électrons
étant
très sensibles
à la présence
de matière,
leur calorimétrie
doit
précéder
la calorimétrie
hadronique.
La faiblesse
de la section
efficace d?interaction
des hadrons
énergiques
leur permet
de traverser le calorimètre
électromagnétique
sans effet majeur
en
moyenne.
Les muons
énergiques
(> 1 - 2 GeV) ne peuvent
être mesurés par calorimétrie.
Leur masse trop élevée s?oppose
à l?émission de rayonnement
de freinage
: malgré
leur charge, les muons
énergiques
ne peuvent
engendrer
de cascade électromagnétique.
Leur nature
leptonique
leur interdit
par ailleurs
l?autre
scénario
calorimétrique,
basé sur l?interaction
forte : le calorimètre
hadronique, malgré
son épaisseur
et sa densité
leur est pratiquement
transparent.
On a d?ailleurs
recours
à ce fait pour identifier
un
muon
comme
trace chargée
qui traverse
les différents
calorimètres.
La combinaison
?de cette information
(qui est en fait une
hypothèse
de masse) et de la mesure
de la trajectoire
de cette
particule
chargée, donne accès à la connaissance
complète
de sa
quadri-impulsion.
La
tique
plupart
des spectromètres
utilisent
qui incurve
les traces et permet
ainsi
pulsion
?.
La
s?opère
reconstruction
des
à l?aide de chambres
trajectoires
des
à fils, disposées
un champ
la mesure
magnéde l?im-
particules
chargées
en paquets
ce qui,
+Htu.h
4&\
P,K,n
f---9
th;
e-+
---------------
Fig. 2.2. -
Structure
d?un
B
Champ
magnétique
s-c5
Paquets
(« stacks
LCV
Micro-chambres
à
traces et de vertex
HI-%
Hodoscopes.
(scintillateurs).
(3
spectromètre
fixe p :
7).
n) de détecteurs
ultra
haute
d?interaction).
Détection
« cible
rapide
de traces
résolution
du
passage
(chambres).
(détecteurs
de
particules
de
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
-!!e~_Roor,
1,
?LRTEIKm= 1
Fig. 23. -
Structure
radiale
d?un spectromètre
DELPHI.
de N collisionneur
u :
à nombre
fixe de chambres,
donne
une précision
supérieure
à celle que donnerait
une répartition
régulière.
L?un des paquets
doit nécessairement
être situé le plus près possible
de la cible
pour reconstruire
au mieux
le point
d?interaction
dont la position dans la cible varie d?événement
en événement.
Afin de mieux
repérer
les événements
intéressants,
et afin
de simplifier
l?analyse
ultérieure,
on identifie
électroniquement
certaines
particules
(vc, p, K) principalement
par effet CERENKOV.
84
BIJLLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
L?utilisation
de scintillateurs
segmentés
et judicieusement
disposés
permet
non seulement
de repérer
le passage de particules mais permet
également
d?éliminer,
par traitement
logique
et rapide des signaux délivrés
par les phototubes,
les événements
parasites
(rayonnements
cosmiques)
et une grande
partie
des
événements
non intéressants.
Selon que les réactions
sont
collision
de faisceaux,
l?apparence
mais la succession
des différentes
ment la même (fig. 22, 23).
produites
sur cible fixe ou par
du spectromètre
est différente
fonctions
reste fondamentale-
Les réactions
de faisceaux
énergiques
sur cible fixe confèrent
au centre de masse projectile-cible
un mouvement
ultra-relativiste
au laboratoire.
Ceci a pour
conséquence
(~CM
- 1) par rapport
de confiner
les produits
de la réaction
à l?intérieur
d?un cône qui
se ferme avec l?énergie
incidente
: les spectromètres
associés aux
expérience
en cible fixe ont donc une structure
linéaire
et présentent
une ouverture
angulaire
limitée
(- c 10-t rd).
La collision
de 2 faisceaux
identiques
et de même
énergie
permet
par contre
de se libérer
de l?effet cinématique
de collimation,
car dans ce cas, le centre de masse est immobile
par
rapport
au laboratoire.
L?énergie
des faisceaux
est alors utilisée
de façon optimale,
mais ceci nécessite
la détection
sur tout l?espace qui entoure
le point
d?interaction
(acceptance
de 4 UC stéradians)
en respectant
la symétrie
imposée
par la collision
des
faisceaux.
La construction
de spectromètres
sphériques
serait très
compliquée
: on préfère une structure
cylindrique
compacte.
En résumé,
on peut dire que le mode de réaction
impose
la
topologie
du spectromètre.
Par contre,
les préoccupations
étant
les mêmes,
la structure
de l?appareillage
ne varie pas. C?est ce
que tentent
de résumer
les fig. 22 et 23.
V.2. Electronique
associée
au spectromètre.
La production
de réactions
mettant
en jeu des énergies
de
plus en plus élevées, nécessite
des volumes
sensibles
de plus en
plus importants
et une granularité
de plus en plus fine de l?appareillage
donc un nombre
croissant
de voies d?électronique.
D?autre
part, les sections
efficaces
des réactions
en général
quand l?énergie
s?élève : les phénomènes
sont rares et masqués
par un bruit de fond important,
de réactions
« normales
» mais inintéressantes.
diminuent
intéressants
provenant
Par ailleurs,
le taux d?écriture
sur bande magnétique
est bien
plus faible (10 à 100 événements
par seconde) que le taux d?acceptation
du spectromètre
(104 à 107 événements
par seconde).
Le
spectromètre
doit donc être sélectif vis-à-vis de phénomènes
rares
BULLETIN
et aléatoires
de données...
DE L'IJNION
85
DES PHYSICIENS
afin de ne pas accumuler
sans intérêt.
d?importantes
quantités
La sélectivité
est obtenue
par une hiérarchie
d?opérations
logiques
qui combinent
les informations
des différents
détecteurs
et prennent
des décisions.
Plus la décision
est complexe,
plus
elle est lente. La chronologie
est la suivante
:
*
décisions
rapides
(fast
trigger).
Obtenues
par combinaisons
logiques
simples
(coïncidence,
absence, comparaison)
de signaux rapides
issus des scintillateurs,
CERENKOVS, calorimètres.
Ce niveau
permet
de prendre
des décisions rapides
(100 ns) mais simples
(une centaine
de signaux
sont combinés
au maximum)
signalant
l?événement
sans aucun
intérêt
(pas de réponse)
ou pouvant
présenter
un intérêt.
Ce
stade permet
d?opérer
une réduction
de 102 à 104 du taux de
comptage.
*
décisions
semi-rapides
(trigger
de second
niveau).
Les candidats
restants
dont la fréquence
d?occurence
a été
réduite
de 102 à la? sont maintenant
soumis
à des opérations
logiques
plus complexes
parce que faisant
intervenir
un nombre
d?informations
plus élevé (plusieurs
centaines
d?informations
sont
maintenant
manipulées
; des recoupements
sommaires
sont effectués entre détecteurs).
Des décisions
plus fines sont prises. Seuls,
les événements
potentiellement
intéressants
subsistent
: ils sont
mémoriés
dans des mémoires-tampon
(buffers)
puis transférés
sur bande magnétique
(acquisition
de données).
Quand
le taux
de production
d?événements
intéressants
est supérieur
au taux
d?acquisition,
on est acculé à tolérer
un certain
pourcentage
de
pertes appelé
« temps
mort ».
Pour réduire
au maximum
le temps mort,
réduire
le nombre
de bandes
magnétiques
et accélérer
l?analyse,
la tendance
est
de plus en plus de faire intervenir
un troisième
niveau
de décision qui effectue,
à l?aide de micro-processeurs,
un prétraitement
des événements
avant de les transférer
sur bande : seuls les événements
physiquement
intéressants
subsistent.
Parallèlement
à la prise de donnée,
des opérations
de surveillance
(monitoring)
du spectromètre
ont lieu, afin de détecter
les pannes et de vérifier
la constance
des calibrations.
L?ensemble
de l?électronique
associée à un spectromètre
moderne représente
plusieurs
dizaines
de milliers
de voies (300 à
1000 FF/voie)
individuelles
gérées par l?association
de plusieurs
calculateurs
et de dizaines
de micro-processeurs
qui communiquent
entre eux.
86
BULLETIN
V.3. Traitement
différé
DE L'UNION
(U off-line
DES PHYSICIENS
n) des
données.
Une fois stockées
sur bande magnétique,
les données
brutes
(« raw datas >>) issues d?un spectromètre,
représentent
une quantité d?informations
considérable
(- 103 bandes magnétiques)
qui
seront traitées
au cours des mois (années) qui suivent l?expérience.
Cet amas de données
doit être transformé
en quantités
physiques (impulsions,
énergies,
masses)
indispensables
à la reconstruction
des événements
réels.
Dans une première
décodées
et transformées
tités de particules...
étape, les données
en coordonnées,
brutes
stockées
sont
en énergies,
en iden-
Dans une seconde étape, la topologie
complète
de chaque événement
doit être déterminée
(reconnaissance
et reconstructions
des traces, reconnaissance
de formes (anneaux
CERENKOV, impacts
de photon),
corrélations
entre
détecteurs...)
ce qui suppose
la
mise
en ??uvre
de facilités
graphiques
sophistiquées
qui permettent
au cerveau
humain
de mettre
sa fantastique
capacité
de reconnaissance
des formes...
au service
de l?ordinateur
( « scanning N).
V.4. DELPHI
: un spectromètre
de nouvelle
génération.
Les collisionneurs
qui entreront
en service dans un proche
avenir
(- 1990) s?attaqueront
aux frontières
actuelles
de la physique. Une nouvelle
génération
de spectromètres
est actuellement
en préparation
qui se caractérise
par :
- une multifonctionnalité
poussée c?est-à-dire
le cumul
de capacités élevées de mesure
de traces, d?identification,
de mesure
d?énergies,
- une augmentation
notable
des volumes
sensibles
et du nombre
de canaux
d?électronique
entraînant...,
- une miniaturisation
poussée de l?électronique
afin d?en maintenir le prix global dans des limites
acceptables
et permettant...,
- une reconstruction
tridimensionnelle
(stéréoscopique)
des trajectoires
et des dépôts
d?énergie,
- une intelligence
accrue des spectromètres,
obtenue
par distribution
au niveau
de chaque
détecteur
de capacités
de décision et de gestion (micro-processeurs,
mini-ordinateurs)
regroupées en pyramides
décisionnelles
de plus en plus complexes,
-
en
la possibilité
d?intervenir
mètre
par interconnexion
ciés, avec les calculateurs
cipent à sa construction.
à distance
(> 102 km) sur le spectrodes calculateurs
qui lui sont assodes différents
instituts
qui parti-
Le spectromètre
DELPHI (fig.
vue de la physique
rendue
24), actuellement
accessible
par
en construction
le collisionneur
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
longitudinale
d?un quart du spectroFig. 24 a. - Vue de la structure
mètre DELPHI
destiné à fonctionner
en 1990 auprès
du collisionneur
européen
e+ e- LEP (2 x 70 GeV) :
reconstruction
de traces
identification
calorimétrie
calorimétrie
a/K et K/P
EM :
had. :
:
:
Vertex
detector,
inner detector,
TPC outer detector,
muon
chambers,
Forward
chambers.
Barre1 Rich, Forward
Rich.
HPC ; Forward
EM calorimetre.
Barre1 hadron
cal, end cap hadron
cap.
BULLETIN
DE L'UNION
89
DES PHYSICIENS
européen
e+ e- LEP (2 x 70 GeV) constitue
un excellent
représentant
de cette nouvelle
génération
de spectromètres.
Un certain nombre
de techniques
d?avant-garde
y sont mises en oeuvre :
- reconstruction
tridimensionnelle
des traces notamment
par
l?utilisation
d?une
grande
chambre
cylindrique
à projection
temporelle
(TPC)
et d?un
micro-détecteur
(chambres
au
silicium),
- identification
des particules
par détection
des anneaux
CERENKOV (Ring Imaging
Cerenkov),
- reconstruction
tridimensionnelle
des dépôts d?énergie
par calorimétrie
à haute granularité,
-
magnétisation
à l?aide d?un
d?un volume
important
solénoïde
supraconducteur
Les performances
A PfP
principales
(R = 2,6 m ; L = 7,4 m)
(B = 1,2 T).
de DELPHI seront
les suivantes
:
- 2 10-2,
Identification
irc/K jusqu?à
K/P jusqu?à
(A WE),,
18,s %VE
(,A E/Ehmi
100 %/VE.
- 18 à 30 GeV/c
- 35 à 50 GeVjc
; 6 %/C/E
(selon
(selon
(selon
région)
région),
région),
,
Ce spectromètre,
dont la masse est de quelques
milliers
de
tonnes, représente
un volume
sensible d?un millier
de mètres cubes
desservi
par 120 000 voies d?électronique.
L?ensemble
du projet
représente
un investissement
d?environ
300 MFF partagé entre une
quarantaine
d?instituts
(Europe,
U.R.S.S.,
U.S.A.).
VI. QUELQUES
FAITS
PHYSIQUES
NON
STANDARDS.
Pour illustrer
les connaissances
obtenues
avec les appareillages que nous venons de décrire, je voudrais
maintenant
préciser
quelques
aspects
importants
à l?échelle
des petites
distances
(< 10-n cm) dans le but d?éviter
des images
fausses
(1 proton = 3 quarks)
et dans le but d?attirer
l?attention
de mes collègues du secondaire
sur la subtile
signification
de la notion
de
charge électrique
(polarisation
du vide).
VI.1.
La découverte
des
quarks
(fig.
25 a. bl
L?existence
du noyau atomique
fut établie
par RUTHERFORD
par une expérience
de rétro-diffusion
de particules
u par une
feuille
d?or. La physique
moderne
nous apprend
qu?en fait, les
particules
?a n?avaient
d?intérêt
que par leur énergie,
suffisante
pour réaliser
des transferts
de photons
virtuels
de pouvoir
résolvant élevé : fondamentalement
l?expérience
de RUTHERFORD sonde
le c?ur de l?atome
à l?aide de photons
virtuels.
90
BULLETIN
Probability
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
2?2
Probability
(a)
Au target Pbil. Mog. xxi, 669 (1911)
Proton
r
t
4
bl
r
target Pbys. Lett. 46B. 47 1 (1973)
\l
?.
_
\
0
?0
r
\
Atom has
\ ?.substructure
\,*.
l
a
\
\
1
l\
1
I
>
Transverse momentum
or scattering angle
(c)
Fig. 25~1. -
Etude
Un calcul
deux particules
ponctuelles.
de la sous-structure
atomique
diffusion
inélastique.
exact
du processus
chargées
est possible
et protonique
par
de diffusion
mutuelle
quand
ces particules
de
sont
Par chance, nous disposons
de particules
ponctuelles
et chargées
(donc faciles
à accélérer)
: les électrons.
ter
La diffusion
la nature
d?électrons
ponctuelle
par
des
une cible
constituants
permet
de
stables
donc de tesla cible,
par
BULLETIN
DE L?UNION
DES
91
PHYSICIENS
W.LOQV
w.a.omv
%
?l?f
STf
LA
IN
\
B\ \
\\
UYITS
4
\\
\\
f
P
?A \
i-
q2 IN (BeV/c12
Fig. 25 b. - Courbe présentée
groupe américain
MIT-SLAC
B la conférence de Vienne (1968) par le
et prouvant
la nature composite
des
nucléons.
mesure
des déviations
observées
par rapport
à une courbe
théorique
(obtenue
en supposant
une cible
ponctuelle)
(fig. 25 a).
Cette méthode,
appliquée
à la diffusion
de faisceaux
d?électrons
92
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
énergiques
(afin de réaliser
des transferts
élevés), par des protons, a permis
de mettre
en évidence
la non-ponctualité
du proton
et du neutron
(fig. 25 b). Cette technique
dite de « diffusion
profonde inélastique
» fut ensuite répétée avec d?autres
projectiles
:
muons et neutrinos,
ce qui a permis
durant
les années 1970-1980
de sonder le nucléon
non seulement
à l?aide
de photons,
mais
également
à l?aide de l?interaction
faible (bosons virtuels
W+, Zo).
L?ensemble
des résultats
a confirmé
que le proton
et le neutron
sont composés
de quarks
de spin 112 (relation
de ~ALLAN-GROS~),
de charge électrique
fractionnaire
(expérience
NA14 de diffusion
de photons
réels). Des considérations
indirectes
(balances
d?impulsion)
ont également
montré
la présence
d?objets
électriquement neutres,
de spin 1, non sensibles
aux interactions
EM et
faible
: les gluons,
rapidement
identifiés
avec le boson de l?interaction
forte qui lie les quarks.
La dynamique
de l?interaction
forte est très différente
de
celle
de l?interaction
électromagnétique
car le potentiel
d?interaction
quark-quark
diminue
avec la distance
entre quarks
et,
inversement,
augmente
avec l?éloignement
mutuel
des quarks.
Audelà d?une certaine
distance
mutuelle
(environ
10-n cm), l?énergie
potentielle
devient
suffisante
pour se matérialiser
sous forme
d?une paire q-4 additionnelle
qui se superpose
au quark
que l?on
tenterait
d?isoler
par éloignement.
Cette impossibilité
d?isoler
un
quark
est appelée
« confinement
» des quarks
(les gluons
sont
également
confinés
à l?intérieur
des hadrons).
Autre nouveauté
introduite
par la structure
en quarks
du
nucléon
: on se trouve
pour la première
fois en présence
d?un
système
lié où la masse des constituants
est plus faible
que
l?énergie
de liaison
(wz4 - 100 MeV ; rrzp - 1 GeV). Le nombre
de
constituants
n?est donc pas constant
car d?incessants
mécanismes
de création
et d?annihilations
de paires
q-4 ont lieu. De cette
soupe,
en bouillonnement
perpétuel
(mer
de quarks
et de
gluons),
émergent
en moyenne
trois
quarks
(U u d) appelés
quarks
de valence
et responsables
des propriétés
spectroscopiques du proton
(u d d ?pour le neutron).
Pour la première
fois la physique
nous fournit
l?exemple
d?un
système
(le nucléon)
dont les constituants
fondamentaux
n?ont
pas de masse précise, ne peuvent
être isolés et ne sont pas en
nombre
constant.
Nous allons voir que ce dernier
point n?est pas
spécifique
à l?interaction
forte, mais
se retrouve
également,
à
petite
distance,
pour l?interaction
électromagnétique.
Vi.2. Une
charge
électrique...
En théorie
quantique
lement
un point matériel
infinie
(fig.
26).
des champs,
un électron
chargé : il peut subitement
n?est pas seuémettre
un
BULLETIN
Ecrantage
DE
de charge
0
a
Fig. 26. -
L?UNION
Le phénomène
charge : a)
b)
La valeur mesurée :de la
distance mise en
DES
93
PHYSICIENS
par polarisation
du vide
0
b
de polarisation
?du vide et d?écrantage
,pour la charge électrique,
pour la charge ,de couleur.
charge électrique
dépend de l?échelle
jeu par la présence de mesure.
de
de
94
BULLETIN
DE L'UNION
photon
virtuel
et le réabsorber
était plus massif.
DES PHYSICIENS
d?autant
plus
Le photon
émis, s?il est suffisamment
se matérialiser
en une paire e+ e- puis
hilation
de cette paire et être finalement
vite
que
massif,
peut
se reconstituer
réabsorbé.
le photon
lui-même
par anni-
Le phénomène
prend
une
importance
croissante
quand
l?échelle
des distances
diminue
car le trajet
donc la durée des
photons
virtuels
sont alors suffisamment
faibles pour permettre
l?apparition
de masses virtuelles
élevées.
L?électron
est donc entouré
en moyenne
d?un nuage de paires
évanescentes
e+ e- polarisées
par l?interaction
subie
par les
charges
positives
de la part de l?électron
: la charge
négative
de l?électron
est donc écrantée
(« screening
B>).
Quand nous mesurons
la charge de l?électron
de façon conventionnelle,
c?est-à-dire
à grande distance,
nous mesurons
la charge
écrantée
(1,6 10-u C). Par contre,
si nous mesurons
la charge
à plus courte
distance,
par exemple
à l?aide d?un processus
de
diffusion
profonde,
nous trouverons
une charge
plus
importante (> 1,6 1029 c). Quand la distance
de mesure
tend vers zéro,
la charge mesurée
de l?électron
tendra
vers l?infini.
De façon
plus
précise,
on a la relation
:
1
.+CQ*>
= eo*
l-?ln;
3Jc
avec ao = 1/137,
M tel que e*(M*)
Q2 est le transfert
= ET,+,
opéré pour
mesurer
la charge
e.
Le même
raisonnement,
appliqué
à la couleur
(qui est la
« charge » responsable
de l?interaction
forte)
montrerait
qu?à
l?inverse
de la charge électrique
qui augmente
indéfiniment,
la
charge de couleur
tend vers zéro quand
la distance
de mesure
diminue.
Les considérations
précédentes
sont plus que des spéculations : le mécanisme
de polarisation
du vide au voisinage
d?une
particule
chargée
élémentaire
doit être pris en compte
(renormalisation)
pour retrouver,
par le calcul,
des effets mesurables
(moment
magnétique
anormal
de l?électron,
LAMB-SHIFT,
etc.) qui
constituent
une vérification
expérimentale
de ce phénomène.
BULLETIN
VII. PERSPECTIVES
DE L?UNION
DES
95
PHYSICIENS
ET CONCLUSIONS.
L?image
actuelle
de la structure
de la matière
est d?une grande
beauté.
Elle repose néanmoins
sur un certain
nombre
de faits
encore mystérieux
dont la compréhension
semble
capitale
:
-
quelle
est l?origine
mentaires
?
-
pourquoi
trois familles
il une origine
commune
-
pourquoi
les leptons
ont-ils
des masses
quelle est l?origine
exacte du confinement
gluons ?
.-
pourquoi
-
quel
tions
-
quels
-
etc.
la charge
exacte
de
de leptons
? à quelle
électrique
les rôles
exacts
masse
des
particules
élé-
et de quarks ? ceci traduitéchelle de masse ?
est-elle
est le mécanisme
réel
? vers quelle énergie ?
sont
la
si différentes
des quarks
quantifiée
d?unification
de la gravitation
des
?
et des
?
quatre
interac-
?
Les nombreuses
questions
qui subsistent
se répartissent
en
deux grandes
classes
: celles dont
la réponse
permettrait
de
mieux
comprendre
« pourquoi
et comment
» les modèles
actuels « marchent
», et celles qui permettraient
de savoir
« comment continuer
» jusqu?à
une échelle de masse d?environ
1015 GeV
(théories
grand-unifiées
? théories
supersymétriques
? supergravitation
?)
La prochaine
échelle
de masse (10?5 GeV) est évidemment
hors de portée
des machines
mêmes
futures.
Pour cette raison,
la physique
des particules
expérimentales
se divise à l?heure
actuelle en deux activités
:
- les expériences
hors accélérateurs,
-
la préparation
de machines
futures,
Les expériences
hors accélérateurs
(mesure
de la durée de
vie du proton,
oscillations
de neutrinos,
oscillations
Ci, double
fi,
utilisation
de la composante
ultra-énergique
(et ultra-rare)
du rayonnement
cosmique,
recherche
des monopôles
magnétiques, etc) sont principalement
motivées
par la recherche
d?effets
indirects
(et rares) qui signeraient
l?unification
de l?interaction
forte et de l?interaction
E-faible.
Les expériences
auprès des
sont, elles, centrées
autour
de
- étude détaillée
de la région
le but de mieux
comprendre
interactions
électromagnétique
accélérateurs
existants
ou futurs
deux thèmes
:
des 10-16 cm (Q - 100 GeV) dans
les mécanismes
d?unification
des
et faible
et de détecter
les
96
BULLETIN
objets
fondamentaux
tuelle des particules
des Wk, Zo),
-
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
(découverte
des WL, Zo ; recherche
acscalaires
de HIGGS qui génèrent
la masse
exploration,
à l?aide de machines
futures,
de la région du TeV,
dans l?espoir
que de nouveaux
régimes
seront découverts
qui
permettraient
de choisir
entre différentes
options
fondamentales d?unification
avec les interactions
forte
et peut-être
gravitationnelle.
Accélérateurs
géants (LEP
: diamètre
environ
15 km, SSC
américain
: diamètre
- 100 - 200 km), détecteurs
géants, financements internationaux,
les derniers
(?) coins du voile sont de plus
en plus lourds à lever.
Les sommes
mises en jeu peuvent
paraître
considérables...
voire indécentes.
Pour justifier
ces investissements,
on invoque
souvent
la nécessité
de la recherche
fondamentale
d?aujourd?hui
(laquelle
?) pour les applications
de demain
(médecine,
communications,
transports
,... armements...).
On peut aussi remarquer
reparti
sur 2 * 108 européens
par an par Européen...
soit
On peut
également
quelques
heures
de vol
différents
dispositifs...
que le budget du CERN (2 400 MFF)
représente
une participation
de 12 FF
le prix de deux paquets
de cigarettes.
remarquer
que ce budget
représente
ou quelques
heures
de plongée
pour
On peut plus simplement
remarquer
que ces investissements
relativement
faibles
(g 5 % PNB européen)
permettent
de poursuivre
la fantastique
aventure,
commencée
il y a plus
de
vingt siècles dans la Grèce antique,
par laquelle
l?esprit
humain
essaie de comprendre
ce qu?est
la matière,
l?espace,
le temps,
c?est-à-dire
le cadre dont il a mystérieusement
pris conscience
voilà quelques
milliers
d?années.
Quand la science, dégagée de toute contrainte
métaphysique
ou idéologique,
nous conte la genèse de notre monde,
quand elle
substantifie
les prémonitions
les plus fulgurantes
entrevues
par
toutes les races et toutes les cultures,
doit-on
la passer au seul
filtre
de la rentabilité
à court terme ?
N? 677
BULLETIN
DE
Des particules
l?organisation
dans
L?UNION
DES
97
PHYSICIENS
aux molécules
de la matière
l?univers
par
Université
Agnès
Louis-Pasteur
:
ACKER,
de
Strasbourg.
Résumé.
Basé sur des observations
et des théories
astrophysiques,
un scénario
cosmique
explique
comment
la complexe
matière
organique,
support
de la vie, a pu s?élaborer
dans l?Univers
au
cours de milliards
d?années.
Il est admis que, trois minutes
après l?intense
explosion
marquant
la frontière
de la physique
connue,
la nucléosynthèse
primordiale
des noyaux d?hydrogène
et d?hélium
est faite à partir
des quarks
surgis dès 10-32 s. Puis, au fil de millions
et de milliards
d?années,
ces éléments
légers sont transmutés
dans les
creusets
stellaires
en noyaux
lourds,
disséminés
peu à peu dans
l?espace
interstellaire
par les explosions
d?étoiles
évoluées,
de
supernovae
en particulier.
Les gaz lourds,
brassés
dans les tourbillons
éjectés par les
étoiles,
se refroidissent
et s?associent
en molécules
; ce refroidissement
est parfois
si rapide
que les molécules
se solidifient
sous forme de poussières
interstellaires,
sites favorables
à la formation
et à la conservation
de complexes
et fragiles
molécules
organiques.
C?est dans un nuage galactique
alourdi
de poussières
et molécules organiques
que se forma,
il y a environ
43 milliards
d?années, le Soleil et son cortège
de planètes.
La matière
organique
détruite
dans le voisinage
solaire
par l?énergie
de l?étoile
Soleil
put se reconstituer
dans l?atmosphère
primitive
de la Terre, par
synthèses
spontanées,
conduisant
entre
autres
à l?obtention
d?acides
aminés
biologiques.
Il reste à vérifier
la polymérisation
et à comprendre
la transition
entre matière
organique
inerte
et
cellule vivante,
pour que la parenté
de l?homme
avec les étoiles
soit continue...
98
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
L?astronomie
participe
à l?un des mouvements
actuels
de la
recherche
fondamentale,
à savoir
la convergence
de disciplines
aussi diverses
que la physique
nucléaire,
la biologie
moléculaire,
la cosmologie,
la paléontologie.
Notre
conception
de l?Univers
peut tendre actuellement
à devenir
globale.
- Rappelons
qu?il
y a environ
3 000 ans prédominait
l?idée
d?une Terre plate, située au centre de merveilleuses
sphères en
cristal
portant
étoiles et planètes.
Ce n?est que vers l?an 1500 de
notre ère que fut acceptée l?idée d?une position
non centrale
de la
Terre
et des hommes
dans l?Univers.
La vision
copernicienne
se renforça
au long des siècles, avec la détermination
de structures cosmiques
(fig.
1) emboîtées
les unes dans les autres,
conduisant
à une architecture
de l?Univers
régie par le principe
cosmologique
: l?Univers
est isotrope
et homogène,
identique
à
- Strarbzwrg
au centre
-Terre
a la Lune
-Terre
au Soleil
-
Dimension
du système
de la Terre
solaire
-Soleil
a I?&oile
la plus proche
- Soleil au centre galactique
- Dimension
de notre Galaxie
-
Notre Galaxie
a la Galaxie
Dimension
probabledel?llniverr
6400
384000
km
km
160 millions
12 milliards
41 000
30 000
100 000
d?Andromède
connu
milliards
A.L.
A.L.
2 millions
15 milliards
de km
de km
de km I
4.3 A.L.
?
A.L.
A.L.
Fig. 1. - Les ordres de grandeur
dans l?univers
astronomique
: des
structures
immenses
emboîtées
les unes dans les autres ; un décor
grandiose,
mais aussi le creuset où notre matière
se forgea (dessin
A. RIHN d?après la diapositive
no 4 de « Astronomie
», C.R.D.P.
et
Planét?arium
de Strasbourg).
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
99
lui-même
en tout endroit,
et, en particulier,
la Terre et ses habitants n?en sont que d?insignifiants
et reproductibles
éléments.
- Cependant,
avec l?avènement
vers 1920 de la relativité
générale et de la physique
nucléaire,
puis vers 1940 de l?astrophysique
nucléaire,
la dimension
du temps
fut introduite
définitivement
dans la description
du cosmos ; l?étude de l?évolution
de la matière
montra
une réelle et irréversible
convergence
vers les structures
vivantes.
Un scénario
cosmique
en quatre
étapes, basé sur de
nombreuses
observations,
permet
de décrire
schématiquement
cette évolution
:
* la nucléosynthèse
primordiale,
* la synthèse
des noyaux
lourds
au sein
des étoiles,
* la chimie
organique
dans le milieu
interstellaire,
* vers les tissus vivants
sur les planètes.
1. LA NUCLEOSYNTHESE
PRIMORDIALE.
A l?aide
des acquis
récents
de la physique
des particules
élémentaires,
on peut
comprendre
la formation
des premiers
atomes
dans l?Univers
(fig. 2). L?idée d?un Univers
en expansion
est admise,
depuis la découverte
de l?apparente
fuite des galaxies,
qui seraient
co-mobiles
dans un espace se dilatant.
L?expansion
peut être reliée à un événement
explosif
appelé
« big bang » ; la théorie peut remonter
jusqu?à
10-43 seconde après SS
cette hypothétique
« explosion
», et décrire
l?Univers
comme
très
chaud (T - 1032 K) et très dense. Cet état à très grande énergie
entraînerait
une unification
des quatre forces fondamentales
: nucléaires
faible
et forte, électromagnétique,
gravitationnelle.
Mais cet étrange
Univers
parfaitement
homogène
et symétrique devait évoluer,
car, dès le début, il était animé d?une sorte
d?énorme
« pulsion
» qui décida de son histoire.
Le « big bang »
dilata l?espace, le refroidit,
et entraîna
des ruptures
de symétries,
faisant
apparaître
des forces et des particules
différenciées.
Suite de points
singuliers,
à 10-43 s, 10-35 s, 10-u s, où une
énergie
énorme
aurait
été injectée
dans l?Univers,
ce qui aurait
entraîné
l?apparition
des premiers
« grains » de matière,
par une
sorte de cristallisation
de l?énergie.
Une « soupe » de quarks,
de leptons
(électrons,
neutrinos)
et de leurs antiparticules,
en interaction
constante
dans un état
d?équilibre
thermique,
se serait
formée
avec un très léger
déséquilibre
dans la répartition
des particules
: 1 milliardième
de
préférence
pour les quarks
par rapport
aux antiquarks
(certaines
théories
expliquent
ce déséquilibre
en faisant
intervenir
des
« particules
X » super-lourdes
qui, à température
plus
basse
100
tll~l.LEl?IN
DE
L?UNION
- vers 10-35 s - se désintègreraient
en produisant
un mélange
inégal
DES
PHYSICIENS
en particules
moins massives,
de matière
et d?anti-matière).
Déséquilibre
fondamental,
car, lorsque
vers 10-e secondes,
les particules
et antiparticules
s?annihilent,
il reste le milliardième
de matière,
grâce auquel
les galaxies,
étoiles,
astres et vivants,
pourront
se former.
L?annihilation
libère chaque
fois un photon,
ce qui expliquerait
bien la proportion
que nous observons
dans
notre
Univers
d?une
particule
matérielle
pour
un milliard
de
photons.
Dans l?Univers
moins
dense et moins
chaud,
les particules
peuvent
peu à peu se combiner
de façon stable,
sans que les
constructions
nouvelles
soient
détruites
par collisions.
Les quarks
se combinent
trois à trois, pour former
des nucléons : protons
et neutrons.
Puis les nucléons
se combinent
à
leur tour, pour conduire,
vers 3 minutes
après le « début », aux
premiers
noyaux
atomiques,
grâce
aux
réactions
nucléaires
suivantes
:
(n = neutron)
(p = proton)
(e- = électron)
-+
-+
+
2D + p
+
2D + n
+
3He + n
3He + 3He +
+
3T + p
3He + 4He +
7Be + e-*
P
n+p
?H
2D + énergie
3He + énergie
3T + énergie
4He + énergie
4He + 2 p + énergie
4He + énergie
7Be + énergie
?Li + énergie.
De tous ces éléments,
certains,
posés immédiatement
: le tritium
les plus instables,
T, le béryllium
sont décomBe. Chydro-
gène H constitue environ les trois quarts (en masse) de la matière
formée ; l?hélium
He représente
environ
un quart, auquel
s?ajoutent
des traces de lithium
Li, d?hélium
3 (constitu6
de 2 protons et 1 neutron)
et de deutérium
D (isotope
de l?hydrogène,
noyau formé d?un proton
et d?un neutron,
alors que le tritium
T
est un autre
isotope
de l?hydrogène
regroupant
un proton
et
deux neutrons).
L?Univers
poursuit
son expansion
et donc son refroidissement
(rappelons
la « loi » simple
régissant
la physique
de l?univers, c?est-à-dire
sa température
T et son « rayon » R : R.T. =
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
101
constante).
Aussi, au bout de 3 minutes,
les conditions
de pression, densité,
température
ne sont plus du tout favorables
aux
réactions
nucléaires
; donc la chaîne de formation
des éléments
est arrêtée.
On calcule
que, vers 100 000 ans après le big bang, l?Univers
était porté à environ
3 000 K ; des atomes
stables (H et He) pouvaient
alors se former
(fig. 2), et les photons
émis pouvaient
Fig. 2. - L?évolution
thermique
de l?univers
: Dans le passé, l?univers
était très dense et très chaud ; un événement
explosif
appelé
B big
bang » entraîna
son expansion,
d?où dilution
et refroidissement.
En
: la température
moyenne
de l?univers
; en abscisse
: le
ordonnées
temps, en prenant
comme origine
le moment
présumé
de l?explosion.
L?état de la matière
est fonction
de la température
: nous savons que,
si nous chauffons
un corps,
ses molécules
se dissocient
en atomes,
puis ses atomes sont excités,
ionisés, dépouillés
de tous
les électrons
qui deviennent
libres;
et, enfin, aux températures
atteignant
des millions de degrés, les noyaux eux-mêmes
sont dissociés
en nucléons,
puis
en quarks
pour des milliards
de degrés.
Les forces
unissant
les
particules
sont toutes
vaincues
par un état énergétique
à puissance
croissante.
Aussi, on peut dire qu?il y a environ
15 milliards
d?années,
l?univers
était
d?énergie
pure,
les quatre
forces
fondamentales
(nucléaires
faible et forte, électromagnétique,
gravitationnelle)
étant confondues
en une force unique. (Illustration
parue dans « La Recherche
» 1984,
no 151 dans l?article
de T.-X. THUAN).
BULLETIN
102
DE L'UNION
DES I'HYSICIENS
s?échapper
librement
: on assistait
là au découplage
de la matière
et du rayonnement.
Ces photons
au flux très refroidi
par l?expansion, seraient
observés
actuellement
sous la forme
du «rayonnement cosmologique
à 3 K ».
Les faits
observés
et leurs
lacunes.
- On observe
une prédominance
très
nette de l?hydrogène
et de l?hélium
par rapport
à tous les éléments
chimiques
détectés
dans l?Univers
(fig. 5). En particulier,
on observe
8 à 10 atomes
d?hélium
pour 100 atomes
d?hydrogène,
et ceci quelque
soit l?endroit du cosmos, abondance
uniforme
explicable
par une origine
commune
et primordiale.
1
Pour le lithium
et le deutérium,
leur abondance
est déduite
de l?analyse
des atmosphères
d?étoiles
très vieilles
(dans le halo
de la galaxie
en particulier)
; ces éléments
fossilisés
sont très
rares comme
le prévoit
la théorie
: D/H - 2 * 10-s et Li/H
8 * 10-10 à 4 10-9, abondance
observée
non uniforme,
explicable
par les réactions
de spallation
(vues plus loin).
l
- Une expansion
des galaxies
fut observée
dès 1928, pouvant
conduire
à cet événement
explosif
passé appelé
« big bang », que
l?observation
en 1965 du rayonnement
à 3 K semble
confirmer.
Mais.
* Il n?est pas tout à fait exclu que ce rayonnement
grande
longueur
d?onde
soit d?origine
galactique,
émis par
poussières
disséminées
dans notre galaxie.
faites,
à
des
* Différentes
évaluations
de l?âge de l?Univers
ont été
et seul leur ordre de grandeur
est à peu près cohérent
:
En
milliards
d?années,
âge déduit
de
la « loi de Hubble
» : 10 + 3,
l?observation
des amas
globulaires
> 16 f 35
- l?étude
des « nucléochronomètres
1124.
-
:
»
:
D?ailleurs,
la constante
de Hubble
- ainsi que la distance des galaxies
lointaines
et des quasars - est incertaine
dans
un facteur 2 : H = 50 ou 100 km/s/Mpc.
- IN?oublions
pas que ce « big bang », ou grosse explosion,
n?est qu?une
sorte d?hypothèse
de travail,
abstraite
et théorique,
correspondant
à notre
connaissance
ACTUELLE du cosmos ; mais
pouvant
très bien être remise
en question
très sérieusement,
et
même rejetée,
pour peu que l?on trouve d?autres
explications
aux
BULLETIN
observations,
interprétation
DE
ou d?autres
théorique.
2. LA NUCLEOSYNTHESE
L?UNION
faits
DES
103
PHYSICIENS
d?observations
exigeant
une
autre
STELLAIRE.
Au bout d?environ
106 ans, la « gravité » entre en action
de
façon décisive,
donnant
à l?Univers
sa deuxième
chance. En effet,
d?énormes
masses de gaz (formé
essentiellement
d?H et He) se
sont alors contractées,
formant
des milliards
d?étoiles,
dont le
noyau, porté par compression
à des millions
de degrés, devient
un lieu favorable
aux réactions
nucléaires,
à nouveau
déclenchées.
C?est donc dans le « c?ur » des étoiles
que la matière
peut
continuer
à élaborer
ses constructions,
de plus en plus complexes.
Des réactions
nucléaires
différentes
se passent,
selon l?état thermique des noyaux stellaires,
dépendant
de la masse des étoiles.
A) Dans les étoiles semblables
au Soleil (par exemple
Sirius,
Proxima,
Capella,
et 90 % des étoiles
de la Galaxie),
règne une
température
d?environ
107 K (c?est
la température
qui caractérisait
l?Univers
vers 3 min,
fig. 2) ; aussi retrouve-t-on
des
réactions
semblables
à la chaîne présentée
précédemment
(p. lOO),
dont le bilan est essentiellement
la fusion de quatre
noyaux d?hydrogène
en un noyau d?hélium,
selon plusieurs
suites possibles
(surtout
les chaînes
« proton-proton
» - fig. 3).
- Au sein d?étoiles
tral est complètement
s?effondre,
car aucune
la gravitation.
plus massives,
lorsque
l?hydrogène
centransmuté
en hélium,
le noyau,
inerte,
pression
ne s?oppose
alors à l?action
de
Donc, le centre de ces étoiles
la contraction,
ce qui permettra
cléaires
de se déclencher.
se réchauffera
à de nouvelles
Par exemple,
dans
règne
une température
la fusion de l?hélium.
comme
Aldébaran
ou Antarès,
d?environ
108 K, permettant
des étoiles
centrale
C
= carbone,
0
Ne
= oxygène,
= néon,
Mg
= magnésium.
3 :He
+ l:C + énergie
?:C + ;He
+ ?:O + énergie
?80 +iHe
+ $Ne
+ énergie
+ $Mg
+ énergie.
::Ne
+ ;He
sous l?effet
réactions
de
nu-
104
BULLETIN
DE
On obtient
du carbone
magnésium
Mg, composés
L?UNION
DES
PHYSICIENS
C, de l?oxygène
très stables.
D?autres
réactions
conduisent
et 180 de l?azote et de l?oxygène,
quantité
de neutrons.
0,
du néon
Ne,
du
à des isotopes
peu stables,
r4N
réactions
dégageant
une grande
- Pour
des étoiles
plus
massives
encore,
une nouvelle
contraction
peut survenir
après la fusion de tout l?hélium
central, portant
le centre
des étoiles
à une température
de 5 à
8 x 108 K. L?à se produit
la fusion du carbone
:
12C + ?2C + *4Mg + v
+ 23Na + p
+ MNe + 4He
+ 23Mg + n (réaction
endothermique,
neutrons).
source
de
- Pour
les super-géantes
ayant
près de 10 fois la masse
solaire,
on assiste à la fusion
de l?oxygène,
pour une température approchant
le milliard
de degrés :
?$0 + ?60 + 3% + y
+ 3?P+p
+ Wi + 4He (silicium
= élément
plus abondant)
-+ ?Mg + 2 4He
-+ 36 + n (réaction
source
stable,
donc
de neutrons).
- Enfin,
pour
les étoiles
super-géantes
super-massives,
le
une réacc?ur peut être porté jusqu?à
5 . 109 K. Là se produit
tion d?équilibre
du silicium
et du fer, selon une lente fusion
:
28Si + 28Si ,+ 56Ni + Wo + ef + v
1 56Fe + e+ +?v
Le noyau de fer, très stable,
est le point
d?arrivée
de ces
chaînes de nucléosynthèse
; la gravitation
ne pourra
pas réchauffer davantage
le c?ur des étoiles, de sorte à transmuter
ce noyau
de fer en un élément
plus lourd.
Au contraire,
des photons
de
grande énergie
peuvent
« casser » le noyau formé ;
.
56Fe + v + 13 4He + 4 n.
Une réaction
endothermique
une implosion
centrale,
pouvant
novae.,
tion
peut se produire,
conduisant
à
expliquer
une explosion
de super-
B) C?est un autre processus
nucléaire
qui explique
la formades noyaux atomiques
plus lourds. Ce ne sont plus des noyaux
BULLETIN
DE L'UNION
105
DES PHYSICIENS
Fig. 3. - Le fonctionnement
de la centrale
nucléaire
solaire
: les
noyaux d?hydrogène
(les protons)
se combinent,
pour aboutir
aux
noyaux d?hélium,
à travers des réactions
de type «proton-proton
».
La figure en donne un exemple.
qui fusionnent,
mais le procédé
est l?addition
de neutrons.
Rappelons-nous
que des neutrons
sont libérés
lors de certaines
réactions (voir précédemment)
; ces neutrons
seront capturés
par des
noyaux
déjà formés,
pour construire
des éléments
lourds,
tel le
mercure,
et jusqu?au
plomb.
Pour des noyaux
encore plus lourds,
tels l?uranium,
le thorium,
le plutonium,
ils sont constitués
par additions
rapides
de
neutrons,
éjectés en particulier
lors d?explosions
de supernovae
a y » = rapid,
alors
que le précédent
est noté
(processus
«s » = slow) (fig. 4).
été
Ainsi, TOUS les éléments
chimiques
connus
fabriqués
dans les c?urs des étoiles.
Les faits
rendre
Seules
compte
(une
centaine)
ont
observés.
des réactions
de la fantastique
nucléaires
énergie
exothermiques
peuvent
produite
par notre Soleil,
106
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
Fig. 4. - Processus de construction
des noyaux atomiques
:
par nucléosynthèse
jusqu?au
fer (56Fe), puis par addition
de neutrons,
addition
lente (processus « slow » « S >)) conduisant
au plomb
(*OgPb)
d?accéder aux
ou addition
rapide (processus rapide « Y D) permettant
noyaux les plus lourds. Les nombres
dits « magiques » (50, 82, 126)
correspondent
aux noyaux les plus stables (voir fig. 5).
et les autres étoiles. Rappelons
que la transmutation
d?un gramme
d?hydrogène
s?accompagne
d?une perte
de ,masse
Am égale à
0,07 g, transformée
en énergie
E = Am x cJ = 6,4 * 10? joules
(c est la vitesse de la lumière
- 300 000 km/s).
Ceci permet
de calculer
que notre Soleil
dont la puissance
est de 3,8 * 1023 kW transmute,
pendant
chaque
seconde,
environ
600 millions
de tonnes d?hydrogène
en 5955 millions
de tonnes
d?hélium,
les 4,5 x 109 kg manquants
étant transformés
en énergie
dont une infime
partie
nous éclaire
et nous chauffe.
- L?abondance
vée dans l?Univers
senté (fig. 5).
3. LA CHIMIE
chimique
des éléments
telle qu?elle
est obserest en accord avec le scénario
cosmique
pré-
INTERSTELLAIRE.
La matière
« re-cyclée » dans le cceur des étoiles
va être
transférée
au milieu
interstellaire,
suite à l?instabilité
des étoiles.
En fin d?évolution,
les étoiles subissent
d?importants
déséquilibres,
conduisant
à des explosions
au cours desquelles
la matière
alourdie formée
au centre
des étoiles
est brassée,
puis éjectée
avec
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
107
PHYSICIENS
N82
I-Ill
8
Fig. 5. - Abondance des éléments chimiques
observée dans l?univers.
On remarque
que l?hydrogène
est hautement
prédominant,
suivi de
l?hélium.
Plus un noyau est stable, plus il sera abondant,
car difficilement ?détruit. Ceci explique le « pic du fer », ainsi que l?abond?ance
plus grande des éléments correspondant
à un nombre atomique
pair,
car formés
par des assemblages
de noyaux
d?hélium.
La relative
surabondance
des noyaux ayant leurs couches nucléaires
toutes remplies correspond
au « nombres
magiques » 50, 82, 126. Par contre, les
éléments instables : lithium,
beryllium,
bore, sont nettement
déficients.
ABONDANCE
COSMIQUE
KTUELLE
DES
É&ENTs
(en % ,de masse)
H
He
Ne
violence
oxygène
: 76,s %
: 21,5?%
: 0,3 %
0 : 0,82 %
c : 0,34 %
N : 0,12 %
98,3 %
1,28 %
dans l?espace
,..., fer ,...
interstellaire,
Fe
Si
Mg
S
:
:
:
:
0.12 %
0,07 %
0,06 %
0,04 ?%
0,29 %
qui
s?enrichit
- Ces atomes
sont soumis
à l?action
des
cules sillonnant
l?espace.
Ainsi,
de nombreuses
constamment
un important
flux de particules
notre Soleil,
éjectant
des protons
avec une
courant
de particules
est appelé « vent solaire
en carbone,
courants
de partiétoiles
éjectent
- (rappelons-nous
telle force, que ce
», capable
de chas-
108
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
ser des gaz et d?orienter
les queues des comètes)
- ces « vents
stellaires
» ?ont des vitesses
d?un millier
de km/s,
et leur collision avec le gaz interstellaire
environnant
conduit
à la formation
dune onde de choc. Cette onde accélère les particules,
les transforme en « rayons cosmiques
», qui, tels des projectiles,
cassent
les atomes
rencontrés
en particules
plus légères. C?est ainsi que
le carbone
est dissocié
par « spallation
» en lithium,
s?ajoutant
au lithium
primordial
:
12C + p + 7Li + 2 p + a.
- Revenons
aux explosions
stellaires.
Dans les mouvements
tourbillonnaires
rapides
se produisant
dans les gaz éjectés,
les
atomes,
se refroidissant,
peuvent
s?associer
en chaînes
moléculaires.
Quand
le refroidissement
est très rapide,
ces molécules
peuvent
se modifier,
formant
les poussières
interstellaires.
Ces
poussières,
formées
de graphite,
silicates
et de glace, enrobent
certaines
étoiles vieillies
d?un vrai « semis ».
Autour
de ces noyaux
de silicates,
glace, H?O, renfermant
les molécules
formées
thane
CH4, ammoniac
NH3,
chimiques
les plus abondants
(fig. 5).
minuscule
: environ
0,2 um. Ces grains
nement
UV venu des étoiles,
d?où une
sant à de nouveaux
arrangements
de
se dépose un manteau
de
les plus courantes
: méà partir
des éléments
L?ensemble
forme un grain
sont irradiés
par le rayonphoto-dissociation,
conduimolécules
(fig. 6).
Signalons
que les « rayons
cosmiques
» bombardant
les
atomes
et molécules
et les grains interstellaires
peuvent
les casser ; de même,
la chaleur
venue des étoiles,
et des chocs entre
grains,
peuvent
faire fondre
la glace. Les nouvelles
molécules
organiques
formées
dans les grains peuvent
ainsi être libérées
et
devenir
d?énormes
nuages moléculaires.
Les faits observés.
- Des nuages de poussières
forment
les grandes
nébuleuses
obscures,
absorbant
et rougissant
la lumière
des étoiles
situées
derrière
elles ; ainsi : la nébuleuse
« Tête de Cheval » dans Orion,
le « Sac de Charbon
» dans la Voie Lactée Sud, les grandes
traînées sombres
sillonnant
les nébuleuses
brillantes
telle la « Trivariable
R Cofide », etc. (fig. 7). Un autre cas : celui de l?étoile
rona Boréalis,
étoile
qui explose périodiquement,
s?entourant
de
nuages de « suie ».
- La radio-astronomie
permit
de détecter,
dès 1970, de grands
nuages moléculaires,
basés sur la chimie
du Carbone
: près de
70 molécules
interstellaires
comprenant
jusqu?à
13 atomes ont été
découvertes
grâce à environ
350 raies bien identifiées.
Citons par
exemple
l?éthanol,
l?alcool
méthylique,
le cyanogène,
le cyanure
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
109
8
Fig. 6. - Dans l?espace interstellaire,
à une température
d?environ
10 K,
des noyaux de silicates
s?entourent
d?un manteau
de glaces H,O cimentant les atomes abondants
C, N, H et leurs composés
: méthane
CH,,
ammoniac
NH,. Sous l?action
de radiations
ultra-violettes,
ces molécules sont dissociées
en radicaux
actifs, qui se recombinent
peu à peu
en molécules
de plus en plus complexes.
Quand le manteau
glacé est
détruit,
lors de collisions
et d?échauffements,
ces composés
sont ren,dus sous forme gazeuse au milieu interstellaire
(la structure
et l?évolution des grains cosmiques
sont étudiés
en particulier
dans le laboratoire
de J.-M. GREENBERG à Leyde).
110
BULLETIN
DE L?UNION
DES
PHYSICIENS
Fig. 7. - La nébuleuse
obscure
« Tête de Cheval », située à plus de
1000 A.L. de distance,
désigne la protubérance
sombre
jaillie du grand
nuage opaque, formé de grains de poussières
interstellaires,
qui cache
les étoiles situées
au-delà. IForme étrange,
?dans laquelle s?assemblent
et se recombinent
des milliards
de molécules
organiques
(photo
:
Observatoire
de Haute-Provence
du C.N.R.S.)
(.d?après
la mdiapositive no 20 de «Astronomie
», 5C.R.D.P. et Planétarium
?de Strasbourg).
BULLETIN
DE
L?UNION
DES
PHYSICIENS
111
explosion
stellaire
survenue
en 1054 dispersa
les
Fig. 8. - Une violente
couches
superficielles
d?une étoile très massive
en une couronne
filamenteuse,
se ?dilatant encore à des millions
de km/heure
dans l?espace.
Le « reste de supernova
» a été nommé
: nébuleuse
« du crabe »
(Messier
1, ,distance 7 000 A.L., diamètre
actuel Y 10 A.L.).
Les éjections
et explosions
survenues
dans la Galaxie ont peu à peu
enrichi
le milieu interstellaire
en éléments
lourds,
matériau
remanié
où se formèrent
de nouvelles
étoiles (tel notre Soleil). (photo
: Observatoire
?de Haute-Provence
du C.N.R.S.)
(d?après
la diapositive
no 24
de «Etoiles
et PZnnètes », C.R.D.P.
et Planétarium
de Strasbourg).
112
BULLETIN
DE L'UNION
DES PHYSIClENS
de vinyle, le kétène. Certains
de ces nuages sont immenses
: ainsi
la nébuleuse
d?Orion
(fig. 10) est enyeloppée
dans un complexe
moléculaire
atteignant
120 000 masses solaires.
Parmi
les corps
détectés,
signalons
les « briques
de la vie », car permettant
la
synthèse des acides aminés
: l?eau H*O, le formaldéhyde
HCHO et
l?acide
cyanhydrique
HCN.
L?une
des molécules
les plus abondantes est l?oxyde
de carbone
CO.
?
- La structure
étudiée
récemment
(fig. 6).
étoiles
sions
et aux
et l?évolution
des grains
interstellaires
fut
(1984) par GREENBERG à l?Université
de Leyde
Enfin, les diverses
étapes de la formation,
et de la fin des
ont été bien observées ; en particulier
les violentes
explodonnant
lieu aux nébuleuses
planétaires
(la Lyre, Hélix,...)
restes de supernovae
(telle la nébuleuse
du Crabe, fig. 8).
4. VERS
LES CELLULES
VIVANTES...
- C?est à partir
de poussières
sédimentant
dans la nébuleuse
proto-solaire
que les planètes
se formèrent,
il y a environ
5 milD), planètes
tourliards
d?années,
par « collages » (ou « accrétion
nant autour
du centre
attractif
énorme
et puissant
qu?est
le
Soleil.
Jusqu?à la ceinture
des astéroïdes,
la chaleur
solaire a chassé
les matériaux
volatils
et détruit
toutes les molécules
et composants organiques.
Ceci a conduit
à former
Mercure,
Vénus, la
Terre,
Mars,
4 planètes
solides
et totalement
« stérilisées
» en
début de leur formation.
- Comment
évolue
la jeune
planète
Terre ? Ayant
perdu
les gaz légers (H, He) surabondants
dans la nébuleuse
primitive,
elle se reconstitue
une atmosphère
par dégazage volcanique
: des
gaz lourds
et réducteurs
tels le méthane
CH4, le gaz carbonique CO*, l?anhydride
carbonique
CO, l?ammoniac
NH3, l?eau H,zO,
sont libérés,
entourant
la Terre d?une couche brunâtre.
Ce milieu
gazeux est arrosé par l?eau liquide
près de la surface
terrestre
et soumis
à de violentes
tempêtes,
à des rayons UV solaires
intenses (car l?oxygène
et l?ozone protégeant
la Terre de ces radiations n?existent
pas encore dans l?atmosphère).
Cette énergie peut
créer et rompre
des liaisons
chimiques,
permettant
de complexes
: en particulier
des sucres, des acides amisynthèses
chimiques
nés biologiques
se forment
ainsi spontanément.
- Un autre processus
permet
d?expliquer
le « re-ensemencement » organique
de la Terre.
En effet, aux confins
glacés du
système
solaire,
les grains de poussière
sont restés enrobés
par
le givre des molécules
interstellaires
; ils s?agglomèrent
pour
BULLETIN
DË L'UNION
DES PHYSICIENS
113
former
des noyaux de comètes. Il y a des milliards
d?années,
ces
petits
astres vagabonds
étaient
très nombreux
dans le système
solaire,
et de nombreuses
collisions
se sont produites
avec la
Terre.
Ainsi, dans le premier
demi-milliard
d?années
de la Terre, des
milliards
de tonnes
de poussières
interplanétaires
ont pu transférer sur la Terre
une quantité
de molécules
organiques
non
détruites
par la chaleur
de la proximité
solaire,
car elles sont
enfouies
au centre de blocs gelés dont seul l?extérieur
fut détruit.
Les molécules
organiques
ainsi apportées
auraient
pu subsister,
car protégées
dans l?eau liquide
; de plus, le dégazage volcanique
terrestre
a entouré
la jeune
planète
d?une
atmosphère
lourde,
filtrant
les rayons X destructeurs.
Donc, au bout de quelques
dizaines
de millions
d?années
après
la formation
de la Terre, sa surface fut recouverte
d?eau contenant à nouveau de nombreuses
et complexes
molécules
organiques.
les
faits
observés.
-
La célèbre
EXPÉRIENCE DE MILLER
et UREY en 1953, reprise
plus tard par d?autres
chercheurs,
a permis
de synthétiser
des
acides aminés en reproduisant
les conditions
physiques
primitives
des atmosphères
planétaires,
dans un mélange
d?eau, d?ammoniac,
d?hydrogène
et de méthane,
balayé par d?intenses
rayonnements
ultraviolets.
Ce type d?expérience
a permis
d?obtenir
des polysaccharides
et 4 des 20 acides aminés
biologiques
: la glycine
H?NCH,COOH,
l?alanine
CH&HNH&OOH,
et quelques
traces
d?acide glutamique
et d?acide
aspartique
(il s?agit là des 4 acides
aminés les plus simples
de toute la série) (fig. 9).
- Par ailleurs,
les constituants
organiques
de
lement
été détectés,
dans les spectres
de comètes
« molécules-mères
» telle l?eau, le cyanure de méthyle,
hydrique).
Les météorites,
de type chondrites
carbonés,
des hydrocarbures
(goudron,
pétrole)
et des acides
d?environ
4 milliards
d?années,
ils sont les témoins
la nébuleuse
proto-solaire.
REMARQUES
base ont réel(révélant
des
l?acide cyancontiennent
aminés ; âgés
inchangés
de
FINALES.
-
A travers ce long cheminement,
la matière
s?est complexifiée, et tend vers les structures
typiques
de la matière
vivante.
Mais la transition
entre les grandes
molécules
organiques
(telles
sucres, acides aminés,...)
et les cellules
n?est pas encore comprise,
ni vérifiée
en laboratoire.
C?est un fossé entre deux niveaux
que la biologie
moléculaire
pourra
dans les années qui viennent.
de la structure
de la matière
peut-être
combler
en partie
114
UIILI.ETIN
DE L'UNION
DES PHYSICIENS
Fig. 9. - La célèbre expérience de Miller
et Urey a permis de synthétiser des sucres et des acides aminés, en reproduisant
les conditions
physiques
primitives
des atmosphères
planétaires,
dans un mélange
d?eau, d?ammoniac,
d?hydrogène
et de méthane,
balayé par ?d?intenses
rayonnements
ultraviolets,
et d?événements
très énergétiques
(foudre).
Tous ces constituants
(H,O, NH,, H,, CH,) existent
dans l?univers
(dessin A. RIHN).
- Le « scénario
cosmique
» que je viens de présenter
semble
aller à l?encontre
de la 2e loi de la thermodynamique,
qui dit que
« dans tout système
isolé, l?entropie
augmente
lors de variations
du système ».
Rappelons
que l?entropie
peut se définir
comme
étant
la
notion inverse de l?information,
puisqu?elle
représente
le désordre,
la confusion
entre toutes les informations.
Or dans l?Univers
« du
début » : aucune
organisation,
aucune
structure
; les atomes
étaient
décomposés
en cette
« purée » homogène,
en un chaos
informe,
où l?entropie
est maximale
et le niveau
d?information
minimal.
Puis, la matière
s?est organisée
en constructions
réunissant des dizaines
d?atomes
(acides, lipides,...),
puis des centaines
de milliers
d?atomes
(double
hélice
de 1?A.D.N.) ; puis des cellules
vivantes,
regorgeant
d?informations,
et où l?entropie
est
bien affaiblie.
BULLETIN
DE L?UNION
DES PHYSICIENS
115
Fig. 10. - La grande nébuleuse
d?Orion
fut découverte
au XVIIe siècle
Elle porte
le numéro
M 42 dans le
par PEIRESC ?à Aix-en-Provence.
catalogue
de Messier,
et le numéro
NGC 1976 dans le New Genaaal
Catalogue.
Son mdi,amètre angulaire
est d?environ
1 degré (le double
du diamètre
du disque
solaire
ou lunaire).
Sa distance
est ?de
1500 années lumière, ce qui lui donne une étendue réelle immense
: un
véhicule lancé à 200 km/h
mettrait
environ
130 millions
d?années pour
traverser
ce vaste brouillard.
Les gaz sont chauffés
et excités par des étoiles bleues très chaudes,
et ils émettent
alors une radiation
propre,
brillant
intensément
dans
la couleur
rouge (raie Ha de 1?Hydrogène).
Le mouvement
,des gaz
est turbulent
; agités à ?des vitesses
d?environ
30 GO0 km/h,
les nuages
se brisent,
se contractent
en blocs denses pouvant
former
de futures
étoiles. Notre Soleil sest constitué
il y a environ
5 milliards
d?annees
dans une telle nébuleuse
gazeuse. La ?nébuleuse
*d?Orion contient
suffisamment
de gaz pour fabriquer
100000 étoiles comme le Soleil (*photo :
Observatoire
de Haute-Provence
du \C.N.R.S.)
(d?après
la diapositive no 23 de «Etoiles
et Planètes », C.R.D.P.
et Planétarium
de
Strasbourg).
116
BULLETIN
En réalité,
les lois
considère
effectivement
DE L?UNION
UES
PHYSICIENS
de la physique
ne sont
le système
global.
Toute construction
de noyaux
atomiques
fait par une réaction
nucléaire
exothermique,
important
dégagement
d?énergie
émise sans
donc avec une entropie
très élevée.
pas violées
si l?on
plus complexes
se
c?est-à-dire
avec un
ordre ni structure,
L?exemple
dont
nous profitons
chaque
jour
est celui du
Soleil
: le Soleil,
étoile
typique,
est le siège en son centre d?importantes
réactions
nucléaires
; 4 noyaux
d?hydrogène
se combinent
en une structure
plus évoluée
et complexe,
1 noyau d?hélium.
Cette complexification
de la matière
se fait avec un dégagement
considérable
d?énergie,
émise
sous forme
de photons
lumineux
qui sont dispersés
dans le vaste espace. Mais le cosmos
n?est jamais
comblé
de ces rayonnements
émis
par les milliards d?étoiles,
puisqu?il
est en dilatation
perpétuelle,
en expansion, augmentant
continuellement
sa capacité
d?absorber
les
rayonnements.
On peut dire que, pour que la matière
tout en respectant
les lois de la physique,
était nécessaire
!
ait pu se complexifier
l?expansion
de l?Univers