La physique microscopique est née au début du vingtième siècle. Elle a révolutionné la société par la compréhension qu'elle a apporté sur la structure de la matière et les interactions fondamentales. Elle a engendré d'innombrables applications et retombées techniques : l'énergie nucléaire et les accélérateurs de particules pour la médecine et les sciences des matériaux en sont des exemples emblématiques.
La physique des particules représente un enjeu de société important, à la fois culturel par la vision du monde qu'elle propose et économique par les produits qui en dérivent. À travers les collaborations internationales qu'elle suscite, elle est aussi un vecteur pour le rapprochement des nations.
La physique est avant tout une démarche et une méthode. Elle définit un langage pour décrire les phénomènes naturels. Elle propose des modèles ou des théories pour les organiser, comprendre leurs relations et prédire leur occurrence. Elle repose sur l'expérimentation et la mesure, ses acquis sont universellement partagés et sont toujours en évolution.
Le cours est une introduction au modèle standard de la physique des particules, illustrée par quelques-unes de ses applications et retombées.
Il s'appuie sur les cours de mécanique quantique et de théorie des champs classiques,
et comprend neuf séances de trois heures. Chaque séance intègre cours et exercices. Beaucoup des calculs du cours seront abordés comme des exercices.
L'évaluation combine contrôle continu et exercices à rendre.
Programme
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Chapitre 1 : Introduction
- Éléments historiques
- Découverte et identification des particules
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Chapitre 2 : Espace, temps, matière
- Constantes fondamentales, unités naturelles
- Notions de relativité restreinte
- Rappels de mécanique quantique
- Équation de Klein-Gordon
- Insuffisances des équations
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Chapitre 3 : Antimatière
- Équation de Dirac
- Spin et rapport gyromagnétique de l'électron
- Antimatière
- Insuffisances de la théorie
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Chapitre 4 : Particules et interactions
- Particules élémentaires et interactions fondamentales du modèle standard
- Lois de conservation
- Dynamique des processus élémentaires
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Chapitre 5 : Un soupçon de théorie quantique des champs
- Opérateurs de création et d'annihilation, espace de Fock
- Hamiltonien de Klein-Gordon
- Champ de Dirac
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Chapitre 6 : Interaction électromagnétique
- Rappels : quadrivecteur potentiel électromagnétique, théorème de Noether
- Invariance de jauge et conservation de la charge
- Invariance de jauge locale et interaction électromagnétique
- Brisure spontanée de symétrie et « photon » massif
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Chapitre 7 : Diagrammes de Feynman
- Représentation en interaction, série de Dyson
- Diagrammes de Feynman
- Calcul d'un taux de désintégration : exemple du boson de Higgs
- Calcul d'une section efficace
- Renormalisation
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Chapitre 8 : Interaction forte
- Modèle des quarks
- Nécessité de la couleur, propriétés des hadrons
- Chromodynamique quantique (QCD)
- Constante de couplage, liberté asymptotique
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Chapitre 9 : Interaction faible
- Courants chargés : bosons W±
- Courants neutres : boson Z0
- Neutrinos
- Violation des symétries discrètes
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Chapitre 10 : Modèle standard
- Théorie électrofaible (Glashow-Salam-Weinberg)
- Masse des particules (mécanisme de Brout-Englert-Higgs)
- Le modèle standard, insuffisances, perspectives
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