Introduction à la physique des particules PDF

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Ce livre introduit la physique des particules sans la complexité du formalisme mathématique habituel. Les particules sont tout d’abord présentées selon une vision moderne – leptons, quarks et bosons vecteurs – avec leurs propriétés statiques et leurs lois de conservations. Leurs interactions sont ensuite décrites avec les principales thématiques de recherche. Enfin, la dernière partie aborde les symétries et explique comment le modèle standard a vu le jour et quelles sont ses implications pour les recherches futures et pour la cosmologie.
Destiné en priorité aux étudiants des deuxièmes cycles universitaires scientifiques, cet ouvrage peut être consulté avec profit par les étudiants des écoles d’ingénieurs, des IUFM et par les enseignants du secondaire.

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La physique des plasmas est la branche de la physique qui étudie les propriétés, la dynamique et les applications des plasmas. La physique des plasmas, tout comme la physique des liquides et des gaz, n’est pas à un domaine de la physique à part entière. Un plasma peut également se former à basse température si la source d’ionisation lui est extérieure. C’est le cas de l’ionosphère, cette couche élevée de l’atmosphère terrestre qui, bien que froide, subit en permanence un intense bombardement ionisant de particules venant du soleil. Les aurores polaires sont l’une des manifestations de ce plasma. Cet état est le plus répandu dans l’univers, on le trouve notamment dans les étoiles, les nébuleuses, le milieu interstellaire et aussi l’ionosphère terrestre.

Le plasma, tout comme le solide, le liquide, ou le gaz, est un état de la matière. Il n’est visible sur Terre qu’à très haute température, quand l’énergie est telle qu’elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors ce qu’il est convenu d’appeler une sorte de  soupe  d’électrons extrêmement actifs dans laquelle  baignent  des noyaux d’atomes. Le terme plasma, appelé aussi  quatrième état de la matière , a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement. Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’électricité. Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide très conducteur qu’on appelle plasma. Pour caractériser un plasma, il faut tenir compte du nombre d’espèces présentes et de leurs différents états de charge, puis étudier l’évolution de la densité, de la température et de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse, ce pour toutes les réactions susceptibles de se produire, qu’elles soient chimiques ou nucléaires, sans oublier les collisions qui peuvent avoir lieu.

La physique des plasmas s’intéresse aussi à la dynamique des faisceaux d’électrons, de protons, d’ions lourds : les plasmas non neutres. Pour distinguer ces définitions, le plasma dit de matière est constitué d’électrons et d’ions incapables de former des atomes tandis que le plasma de quarks appelé plasma quark-gluon est formé des quarks incapables de se combiner pour former des neutrons, protons, etc. Un plasma de neutrons et protons est observé lorsque ces particules sont trop excitées pour former des ions. Cependant, il ne sera question que de plasmas à base d’atomes dans la suite de cet article. Les différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leur densité. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche,  la Terre , étant données leur nature incompatible avec les conditions nécessaires à la vie terrestre. Comme un plasma est une assemblée de particules différentes en interaction, il est de manière générale difficile de le caractériser.

Dans chaque catégorie les plasmas vont avoir un certain type de comportement propre. Pour construire ces catégories, il faut définir différents paramètres comme suit. Cette dénomination fait référence à l’énergie des ions. Les ions sont considérés comme  froids  et ne pourront faire que des réactions chimiques possibles avec leur énergie. Le savoir-faire qui s’est développé est essentiellement théorique, donc plus fondamental. Si on rapproche le degré d’ionisation des interactions particulaires on pourra aussi classifier selon les mêmes catégories : Un gaz faiblement ionisé a des fréquences de collision électron-neutre supérieures aux fréquences de collision électron-ion ou électron-électron.

Le critère de quasi-neutralité indique qu’un plasma est globalement électriquement neutre, c’est-à-dire qu’il y a autant de charges positives que négatives. La quasi-neutralité est notamment issue de la conservation de la charge électrique lors des processus d’ionisation. Seulement cette équation prise telle quelle ne permet pas de résoudre les équations de Maxwell correctement. En fait les études sur les plasmas portent souvent sur des perturbations d’une grandeur moyenne. L’écrantage électrique défini précédemment nous permet d’identifier la longueur de Debye : c’est l’échelle de longueur au-dessous de laquelle il peut y avoir une séparation de charge et au-dessus de laquelle le plasma retrouve sa neutralité.