Introduction à la physique des hadrons

Jean-Marc Richard

Description

L’ouvrage présente un panorama des particules élémentaires à interactions fortes, comme le proton et le neutron, constituants du noyau, le pion qui assure leur liaison, et toutes leurs excitations. Le modèle des quarks est exposé en détail. Il propose une description unifiée de tous ces hadrons et s’étend aux particules avec étrangeté, charme ou beauté.

La présentation fait une large place à l’histoire, et même à quelques anecdotes piquantes qui ont jalonné les progrès théoriques et expérimentaux. Mais les aspects les plus modernes sont également exposés, comme la chromodynamique quantique et les théories effectives, les fonctions de structure, les propriétés électromagnétiques des hadrons, et enfin leur désintégration par interaction faible. Les spéculations sur les hadrons exotiques permettent de comprendre l’enjeu de certaines expériences sur les collisionneurs actuels, notamment le LHC. La lecture ne requiert pas d’autre préalable que quelques notions de physique quantique.

Ce livre s’adresse aux étudiants de M1 et M2, ainsi qu’aux physiciens et chimistes désirant s’initier au monde des hadrons, que se partagent la physique nucléaire et la physique des particules. La compréhension peut être testée par les dizaines d’exercices qui sont proposés, ainsi qu’une solution pour certains d’entre eux.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Sciences et techniques
• Physics
• Nuclear
• Nucléaire
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 07 octobre 2021
• Nombre de lectures: 5
• EAN13: 9782759826490
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Master NEW FRONTIERS IN NUCLEAR PHYSICS
Recherche
+ −K π
−e
p
+e
+e
γ
0Λ
−e
γ
0 0K Ξ
−π
−Ω
−Jean-Marc Richard K
INTRODUCTION À
LA PHYSIQUE
DES HADRONS
Symétries, structure et dynamique
9782759822157_NuclearPhy_Hadrons.indd 1 24/06/2021 08:38NEW FRONTIERS IN NUCLEAR PHYSICS
Master – Recherche
Jean-Marc Richard
La collection « New frontiers in Nuclear Physics » rassemble des ouvrages traitant de physique
nucléaire au sens large, incluant l’astrophysique nucléaire et la physique hadronique, ainsi que
les interfaces avec d’autres disciplines aux frontières des connaissances actuelles. Cette collection
est conçue pour être accessible aux étudiants de Master, ainsi qu’aux chercheurs désirant acquérir
l’état de l’art sur un sujet spécifique. Les sujets sont abordés avec pédagogie, présentant
les étapes clefs et les expériences cruciales du domaine, ainsi qu’un développement rigoureux
qui mène le lecteur à la pointe des découvertes les plus récentes.
L’ouvrage présente un panorama des particules élémentaires à interactions fortes, + −K π
comme le proton et le neutron, constituants du noyau, le pion qui assure leur liaison, −e
pet toutes leurs excitations. Le modèle des quarks est exposé en détail. Il propose
+eune description unifiée de tous ces hadrons et s’étend aux particules avec étrangeté,
charme ou beauté.
+e
γ
La présentation fait une large place à l’histoire, et même à quelques anecdotes 0Λ
−piquantes qui ont jalonné les progrès théoriques et expérimentaux. Mais les aspects e
les plus modernes sont également exposés, comme la chromodynamique quantique γ
et les théories effectives, les fonctions de structure, les propriétés électromagnétiques
0 0K Ξdes hadrons, et enfin leur désintégration par interaction faible. Les spéculations sur
−π
−Ωles hadrons exotiques permettent de comprendre l’enjeu de certaines expériences
−Ksur les collisionneurs actuels, notamment le LHC.
La lecture ne requiert pas d’autre préalable que quelques notions de physique
Reconstruction annotée du cliché de chambre quantique. Ce livre s’adresse aux étudiants de M1 et M2, ainsi qu’aux physiciens
à bulles du 31 janvier 1964 correspondant à la et chimistes désirant s’initier au monde des hadrons, que se partagent la physique –découverte du Ω . Le code des couleurs est : noir
nucléaire et la physique des particules. La compréhension peut être testée par les pour les leptons, photons et hadrons non étranges,
dizaines d’exercices qui sont proposés, ainsi qu’une solution pour certains d’entre eux. bleu pour l’étrangeté S = 1, vert pour S = –1, olive
pour S = –2 et rouge pour S = –3. Les particules en
pointillé, neutres, sont invisibles et sont reconstruites
Jean-Marc Richard, diplômé de l’École Normale Supérieure, a occupé différents sur le schéma par conservation de l’énergie et de la
postes d’enseignant-chercheur en France (universités Paris-Sud, Paris-6, Grenoble-1 quantité de mouvement à chaque vertex. Les deux
photons viennent de la désintégration immédiate et Lyon-1) mais aussi à l’étranger (Stony-Brook et Brookhaven - N.Y., Aarhus - Danemark,
0 0 0 0du π après la réaction Ξ → Λ + π .Heidelberg et Bonn - Allemagne), ainsi que dans des centres internationaux comme
l’Institut Laue-Langevin (Grenoble), le CERN (Genève) et ECT* (Trento). Ses travaux
ont porté sur les interactions entre hadrons, le modèle des quarks, les systèmes
atomiques à petit nombre de charges, les atomes exotiques, la désintégration
faible des saveurs lourdes, la violation du nombre baryonique et les propriétés
mathématiques des systèmes quantiques à petit nombre de corps.
ISBN : 978-2-7598-2215-7
9 782759 822157 www.edpsciences.org
9782759822157_NuclearPhy_Hadrons.indd 1 24/06/2021 08:38 NEW FRONTIERS IN NUCLEAR PHYSICS
Jean-Marc Richard
INTRODUCTION À
LA PHYSIQUE
DES HADRONS
Symétries, structure et dynamique
La collection New frontiers in Nuclear Physics rassemble des ouvrages traitant de physique
nucléaire au sens large, incluant l’astrophysique nucléaire et la physique hadronique, ainsi que
les interfaces avec d’autres disciplines aux frontières des connaissances actuelles. Cette
collection est conçue pour être accessible aux étudiants de Master, ainsi qu’aux chercheurs
désirant acquérir l’état de l’art sur un sujet spécifique. Les sujets sont abordés avec pédagogie,
présentant les étapes clefs et les expériences cruciales du domaine, ainsi qu'un développement
rigoureux qui mène le lecteur à la pointe des découvertes les plus récentes.
Cet ouvrage a été composé à l'aide de KOMA-Script et de LaTeX en utilisant la classe kaobook.
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ISBN (papier) : 978-2-7598-2215-7 - ISBN (ebook) : 978-2-7598-2649-0
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© EDP Sciences, 2021UnfassbareIdeenäußernsichinfassbarenFormen
AugustMacke
ArxtarpeiaCapitoliproxima
Proverberomain
Va,petitlivre,etchoisistonmonde;
car,auxchosesfolles,quineritpas,bâille;
quineselivrepas,résiste;
quiraisonne,seméprend;
etquiveutrestergrave,enestmaître
RodolpheTöpfferPréface
Over severaldecades, Jean-Marcand hiscollaborators have made many
contributionstoHadronPhysicsandthebookreflectsthecontributionofJean-Marcetal.,
bothinthechoice of examples and in the material.
One of the many attractive features is the attention to history with many amusing
anecdotes: some involving the author. Beyondthe contributions of Jean-Marc, the
bookalsocoversmanyEuropeancontributionsneglectedinsomeoftheliterature.
Forexample,theearliestenigma:themeasurementoftheprotonmagneticmoment
by Otto Stern in the 1930s. It took thirty years to understand the result by the
brightesttheorists(MurrayGell-Mann,GeorgeZweig)thattheprotonisacomposite
system.Andanotherdecadeuntilthemajorityofthefieldacceptedthisconclusion,
one of the main achievements of twentieth century science, on par with the big
bang, double-helix quantum mechanics, etc. But of course some obscurity remains
aboutconfinement as with wave-particle duality,etc.
The book is original in many ways. An important one is the restriction to hadrons.
Mostcurrentbooks deal with both hadrons andleptons.
Iamsurethebook will become a classic and willbetranslated.
GabrielKarl
EmeritusProfessor
UniversityofGuelph(Canada)Avant-propos
JeremercieEDPSciencesetledirecteurdecollectiond’avoirsollicitélarédaction
decetouvrage.Leplusdifficileaétédelimiterlesujet,cardeshadronsonglisse
facilement vers la chromodynamique et le modèle standard, et de l’interaction
nucléon-nucléonverslesnoyauxetmêmeauxétoilesàneutrons.Oriln’étaitpas
questiond’écrireune encyclopédie de physiquesub-atomique.
À regret il a fallu aussi renoncer à des développements trop techniques, et se
contenter sur certains sujets d’aiguiser l’appétit des lecteurs qui devront aller
chercherdesouvrages ou des articles de revueplusspécialisés.
Enfin, on pardonnera le travers de couper le fil de l’exposé avec des anecdotes
parfois trop connues et à l’authenticité douteuse, sauf pour celles dont j’ai été le
témoindirect.
Le plan adopté est d’esquisser d’abord l’histoire de la physique des hadrons, puis
deprésenterlaconstructiondeshadronsàpartirdesquarks,etenfindediscuter
desinteractionsfortes, électromagnétiques et faiblesdeshadrons.
Desexercicessontproposésdanschaquechapitreetunesolutiondecertainsd’entre
euxestdonnéeàla fin de l’ouvrage.
Il est impossible de citer tous les maîtres et collaborateurs qui m’ont inculqué,
non sans mal, les notions qui sont présentées ici, mais je leur exprime toute ma
gratitude.Unemention spéciale est due à AndréMartin(1929-2020)qui m’ainitié
auxméthodesrigoureusesetm’afaitpartagercertainsdesestravauxsurlemodèle
desquarksetlessystèmes de charges.
Je suis très reconnaissant à Élie Aslanides, Claude Fayard et Jérôme Margueron
d’avoir relu la première version de cet ouvrage. Ils ont prodigué des critiques
très constructives et corrigé nombre de coquilles. Des remerciements sont dûs
égalementàFedericoMarottaquiamisànotredispositionsonstyledecomposition
«kaobook»etya apporté les adaptations nécessaires.
Last but not least,jeremerciechaleureusementmonamidelonguedateGabriel
Karl d’avoir accepté d’écrire une préface. Son sens physique, sa culture scientifique
pluridisciplinaire,sonenthousiasmecommunicatifetsonhumourparfoisdécapant
ont accompagnéplusieursgénérationsdephysiciensetinspirébiendesvocations.Tabledes matières
Préface v
Avant-propos vii
1 Histoire 1
1.1 Lespremiers hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Lesrésonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Lemoment magnétique du proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Ladécouverte de l’antiproton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Étrangeté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 Lemodèle des quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Lavoiede l’octet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Larèglede Zweig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 Lecharme et la beauté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 Radiographie des nucléons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Chromodynamique quantique . . . .