• 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 : pions

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.

Pions

Les pions sont impliqués dans la force nucléaire forte pour assurer la cohésion du noyau atomique par l'échange de pions entre les nucléons (neutron et proton).

Vue d'ensemble

Les trois pions $\pi$, sont les mésons les plus légers et, en outre, pseudoscalaires : leur spin est nul.

Nonet de mésons
Nonet de mésons

Pions chargés

Les pions chargés sont :

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

Ils ont une vie d'environ 2,6 x 10-8 s.

Pion neutre

Le $\pi^0$ est composé d'un mélange $\dfrac{u\bar u-d\bar d}{\sqrt2}$ qui compose un état " vraiment neutre " ($S=0$, $L=0$) avec une conjugaison de charge $\mathcal C$, telle que $\mathcal C=\eta_C^{\pi^0}=-1^{L+S}=1$.

On peut le vérifier par sa désintégration où $\gamma$ est un photon :

Interactions pion/nucléons
Interactions pion/nucléons
(Figure : vetopsy.fr d'après Fred the Oyster)

$\pi^0\rightarrow\gamma+\gamma$, et donc $\eta_C^{\pi^0}=(\eta_C^{\gamma})^2=1$.

Le $\pi^0$ est sa propre antiparticule et sa vie est courte d'environ 8,4 x 10-17 s.

Interactions entre nucléons :
force nucléaire (force forte résiduelle)

Les nucléons (neutron et proton) n'interagissent pas par l'échange de gluons, car ils ne portent pas de charge de couleur : leurs trois quarks en sont pourvus, mais eux sont blancs.

Cette interaction attractive, appelée force forte résiduelle qui assure la cohésion du noyau, dépend de l'échange de pions et garde ou non la nature des nucléons.

Échanges de gluons et de pions
Échanges de gluons et de pions
(Figure : Manihearth)

Les pions possèdent un spin nul, leur cinématique dépend de l'équation de Klein-Gordon, version relativiste de l’équation de Schrödinger pour ces particules.

L'interaction entre pions et nucléons est appelée interaction de Yukawa (approche de Hideki Yukawa en 1935).

  • La portée des interactions fortes étant d'environ 10−15 m, Yukawa prédit qu'une particule de masse élevée ($m=1/R=100\;MeV$) sans spin devrait être découverte.
  • Le muon $\mu$, découvert récemment, ne pouvait convenir car il est insensible aux interactions fortes. Puis en 1947, on découvrit le pion.
  • Cependant, cette théorie est trop simpliste et la découverte du boson de Higgs doit inciter à plus de recherches ( Brisure de symétrie et mécanisme de Higgs p : 25).

La symétrie associée est celle de $SU(3)$.

Désintégrations des pions

1. Les pions chargés se désintègrent en :

  • $\pi^+\rightarrow\,\mu^++\nu_\mu\;$ et $\;\pi^-\rightarrow\,\mu^-+\bar\nu_\mu$ à 99,98 %,
  • $\pi^+\rightarrow\,e^++\nu_e\;$ et $\;\pi^-\rightarrow\,e^-+\bar\nu_e$ à 0,02 %.
Désintégration de pi+
Désintégration de $\pi^+$

2. Le pion neutre se désintègre en :

  • $\pi^0\rightarrow\gamma+\gamma$ dans 98,8 %,
  • $\pi^0\rightarrow\gamma+e^++e^-$ dans 0,02 %.

Pions et cosmologie

Les pions sont liés à la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK).

L'énergie des rayonnements extrêmes des rayons cosmiques de protons ne devrait pas dépasser cette limite, i.e. on ne devrait pas les observer sur terre.

Fond diffus cosmologique à l'apparition de la lumière
Fond diffus cosmologique (CMB) à l'apparition de la lumière
380 000 ans après le Big Bang (Satellite Planck)
(Figure : ESA/collaboration Planck)

Les protons des rayons cosmiques d'une énergie supérieure à 5x1029 eV devraient interagir avec les photons $\gamma_{CMB}$ du fond diffus cosmologique (CMB), et produire des baryons $\Delta$ qui se désintègrent :

  • $\gamma_{CMB}+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p+\pi^0$ ,
  • $\gamma_{CMB}+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow n+\pi^-$.
  • $\gamma_{CMB}+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p+e^++e^-$.

Les trois scientifiques ont appelé ce phénomène la coupure GZK ou " GZK-cutoff " en anglais. Or, on observe des rayonnements supérieurs à cette énergie, d'où le paradoxe GZK (ou du rayon cosmique) qu'on ne peut expliquer (cf. rayons cosmiques à énergie extrême).

Leptons

Bibliographie
  • Pas de bibliographie disponible