• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Modèle standard des particules
Mésons : kaons

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie

Les mésons, bosons (de spin entier), sensibles à l'interaction forte, sont des hadrons,

  • composés d'une paire quark/antiquark, donc de taille d'environ 2/3 de celle des nucléons,
  • Quarks
    Les quarks (sans leurs antiparticules)
    (Figure : vetopsy.fr)
    de vie moyenne très courte (de 10-8 à 10-23) suivant le cas.
bien

De nombreux mésons ont été découverts : la liste est consultable avec leurs propriétés.

Kaons

Vue d'ensemble

Les kaons $K$ sont des mésons composés :

  • d'un quark $s$ ou d'un antiquark $\bar s$,
  • d'un quark/antiquark, $u$ ou $\bar u$, $d$ ou $\bar d$.

Les quatre kaons sont :

  • le $K^-$, composé d'un quark $s$ et d'un antiquark $\bar u$ ;
  • le $K^+$, composé d'un quark $u$ et d'un antiquark $\bar s$ - antiparticule du précédent - ;
  • le $K^0$, composé d'un quark $s$ et d'un antiquark $\bar d$;
  • le $\bar K^0$, composé d'un quark $d$ et d'un antiquark $\bar s$, - antiparticule du précédent -.

Ces kaons forment :

  • Désintégrations des kaons neutres
    Désintégrations des kaons neutres
    (Figure : vetopsy.fr)
    des doublets d'isospin :
    • $K^+$ et $\bar K^0$ avec $I_3=1/2$ ;
    • $K^-$ et $K^0$ avec $I_3=-1/2$ ;
  • des doublets d'étrangeté :
    • $S=+1$ pour $K^+$ et $K^0$ ;
    • $S=-1$ pour $K^-$ et $\bar K^0$.

Les $K^0$ et les $\bar K^0$ sont produits par l'interaction forte :

  • $\pi^-+p\rightarrow K^0+\Lambda^0$
  • $\pi^++p\rightarrow K^++\bar K^0+p$

Leurs désintégrations suivent l'interaction faible.

Désintégrations des kaons

La désintégration des $K^+$ a montré :

  • qu'elle pouvait créer soit deux pions, soit trois pions,
  • qu'elle viole ainsi la parité $\mathcal P$ qui est multiplicative dans les interactions faibles.
  • Les parités des pions étant $\mathcal P=-1$, les états finaux avec :
    • deux pions ont une parité $\mathcal P=+1$,
    • trois pions $\mathcal P=-1$.

La désintégration des kaons neutres révèle une superposition de deux états.

  • Le $K^0_S$, ou kaon neutre dit " court " (durée de vie d'environ 8,953 10-11 secondes), se désintègre en deux pions.
  • le $K^0_L$, ou kaon neutre dit " long " (durée de vie d'environ 5,116 10-8 secondes), se désintègre en trois pions.

Ces deux mésons s'appelaient au départ $\tau$ et $\theta$ et on ne comprenait pas leurs désintégrations - puzzle $\tau-\theta$ - (cf. videos de Murray Gell-Mann).

Cette observation a permis d'expliquer les oscillations de particules neutres, qui existe aussi pour d'autres processus comme $B^0-\bar B^0$ ou $D^0-\bar D^0$, ou même l'oscillation des saveurs comme par exemple $\nu_e-\nu_\mu$ (utilisation de la matrice CKM).

  • Kaons neutres
    Kaons neutres
    (Figure : vetopsy.fr)
    Murray Gell-Mann et Abraham Pais (1918-2000) ont d'abord utiliser une matrice qui conserve la symétrie $\mathcal C\mathcal P$ : les éléments de la diagonale pour l'hamiltonien, dues à des interactions fortes, doivent être égaux pour conserver l'étrangeté et l'égalité des masses de la particule et l'antiparticule en l'absence des interactions faibles.
  • Les éléments hors diagonale, qui mélangent des particules d'étrangeté opposées, sont dues à des interactions faibles : la symétrie $\mathcal C\mathcal P$ les oblige à être réels et non nuls pour qu'il y ait une oscillation.
  • Si la matrice est complexe, alors on observera une diminution avec le temps des différents $K^0$, mais cette matrice violera la symétrie $\mathcal C\mathcal P$.

L'interaction faible produit une superposition de deux états propres différents $|K_1\rangle$ et $|K_2\rangle$ qui s'obtient en diagonalisant le matrice précédente ( la physique du $K^0$ et $\bar K^0$ p : 280 et violation de la symétrie $\mathcal C\mathcal P$)

  • $|K^1\rangle=\dfrac{1}{\sqrt2}(|K^0\rangle+|\bar K^0\rangle)$ de symétrie $\mathcal C\mathcal P=+1$, qui se désintègrera en deux pions et donc est correspond à $K^0_S$.
  • $|K^2\rangle=\dfrac{1}{\sqrt2}(|K^0\rangle-|\bar K^0\rangle)$ de symétrie $\mathcal C\mathcal P=-1$, qui se désintègrera en trois pions et donc est correspond à $K^0_L$ qui se déroule plus lentement, car la masse de $K_2$ est supérieure à celle des trois pions (loupel'oscillation des kaons neutres et leurs désintégrations).
Val Logsdon Fitch et James Watson Cronin
Val Logsdon Fitch et James Watson Cronin

Puis, en 1964, James Watson Cronin (1931-2016), Val Logsdon Fitch (1923-2015) et René Turlay (1932-2002) ont mis en évidence que $K^0_L$ ($\mathcal C\mathcal P=-1$) pouvait aussi se désintégrer en 2 pions ($\mathcal C\mathcal P=1$) qui viole donc cette symétrie.

  • Il faut en déduire que $K^0_L=\dfrac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}}(K_2+\epsilon K_1)$ et $K^0_S=\dfrac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}}(K_1+\epsilon K_2$.
  • La présence de $|\epsilon|\approx2,228\times10^{-3}$ montre bien que ce phénomène viole bien la symétrie $\mathcal C\mathcal P$

La violation de la symétrie $\mathcal C\mathcal P$ a été découverte au début des années 2000 par les NA48 et KTeV expériences au CERN et Fermilab (régénération kaonique).

  • Leur masse sont légèrement différentes d'environ 2,2×10−5 eV.
  • La violation de symétrie pourrait dans la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l'univers (asymétrie baryonique de l'univers).

Pions

Bibliographie
  • Pas de bibliographie disponible