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Problème à N corps (J. Polonyi, 18 heures CM) COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondissement de la mécanique quantique avancée et applications aux systèmes complexes à N corps traités en physique subatomique. PROGRAMME : • Formalisme lagrangiene • Méthode de seconde quantification : particules libres et interactives • Fonctions de Green • Théorie des perturbations • ème de Wick • Règles de Feynman • Application : système des baryons Noyaux et interactions (J. Dudek, 18 heures CM) COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondissement des connaissances de base de la physique nucléaire : modèles microscopiques et macroscopiques, théorie de décroissance des émissions radioactives, réactions nucléaires à basse et à haute énergie. PROGRAMME : • Propriétés du noyau et force nucléon-nucléon : Modèle de la goutte liquide. Echange de mésons. Système à 2-nucléons, deutéron et isospin. Système à 3-corps et indépendance de la charge de l’interaction nucléaire. • Modes de création et de décroissance nucléaire des noyaux : Production d’éléments légers dans le Big Bang, nucléosynthèse, explosion de supernovae. Processus de décroissance α, β et γ, fission, modes plus exotiques. • Modèles nucléaires microscopiques et collectifs : Modèle du gaz de Fermi et modèle en couches sphériques, extension aux noyaux déformés. Complémentarité des aspects macroscopique et microscopique. Interactions résiduelles et appariement. Compressibilité et effet de ...
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Problème à N corps (J. Polonyi, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondissement de la mécanique quantique avancée et applications aux systèmes complexes à N corps traités en physique subatomique. PROGRAMME :
Formalism elagrangiene
• • Méthode de seconde quantification : particules libres et interactives • Fonctions de Green • Théorie des perturbations • Théorème de Wick • Règles de Feynman • Application : système des baryons
Noyaux et interactions (J. Dudek, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondissement des connaissances de base de la physique nucléaire : modèles microscopiques et macroscopiques, théorie de décroissance des émissions radioactives, réactions nucléaires à basse et à haute énergie. PROGRAMME : • Propriétés du noyau et force nucléon-nucléon : Modèle de la goutte liquide. Echange de mésons. Système à 2-nucléons, deutéron et isospin. Système à 3-corps et indépendance de la charge de linteraction nucléaire. • Modes de création et de décroissance nucléaire des noyaux : Production déléments légers dans le Big Bang, nucléosynthèse, explosion de supernovae. Processus de décroissance α, β et γ , fission, modes plus exotiques. • Modèles nucléaires microscopiques et collectifs : Modèle du gaz de Fermi et modèle en couches sphériques, extension aux noyaux déformés. Complémentarité des aspects macroscopique et microscopique. Interactions résiduelles et appariement. Compressibilité et effet de surface. Déformations statique et dynamique, rotations et vibrations. Résonances géantes. • Réactions nucléaires : Diffusion élastique. Formation de noyaux composés : distributions de spins et des barrières. Réactions inélastiques et de transfert. Autres types de réactions : collisions fortement inélastiques, fusion-fission, quasi-fission et fusion incomplète.
PROGRAMME :
Particules et champs élémentaires (D. Bloch, 18 heures CM)
• Constituants de la Matière : fermions et bosons ; transformation de Lorentz ; équations de Schrödinger et de Klein-Gordon ; équation de Dirac ; antiparticules ; leptons et quarks. • Interactions fondamentales : Théorie de Yukawa, échange de boson ; diagrammes de Feynman ; sections efficaces ; désintégration et résonances. • Principes dInvariance et Lois de Conservation : translation et rotation, Parité, conjugaison de Charge ; Invariance de Jauge ; renversement du Temps, symétries CP et CPT ; Isospin fort et Etrangeté. • Structure des Hadrons : baryons légers, hypercharge et couleur ; mésons pseudo-scalaires et vecteurs ; quarkonium, découvertes des saveurs lourdes. • Diffusions de quarks et de leptons : annihilations e+e- ; diffusion inélastique profonde ; partons et quarks. Interaction Forte : ChromoDynamique Quantique QCD ; couleur et gluons ; • évolution des constantes de couplage ; fonctions de structure. • Interaction Faible : théorie de Fermi ; interaction de neutrinos ; non-conservation de la Parité ; désintégrations faibles ; courants chargés et neutre ; découverte des bosons W et Z ; violation de CP. • Le « Modèle Standard » des Interactions : Groupe U(1)xSU(2)xSU(3) ; Secteur de Higgs ; succès expérimentaux et limitations . • Au-delà du Modèle Standard : Supersymmétrie ; grande unification ; masse des neutinos et leurs oscillations ; Projets futurs : LHC, ILC, astroparticules.
Interaction rayonnement-matière (A. Nourreddine, 18 heures CM) COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondissement des concepts physiques de base dinteraction rayonnement avec la matière : traitements classique et quantique, aspects macroscopiques et microscopiques des interactions et leurs effets sur la matière irradiée, i l ustrations par des calculs Monte Carlo et de la physique statistique par lintermédiaire de léquation de transport de Boltzmann. PROGRAMME : • Introduction : Origine et classification des rayonnements ionisants • Généralités : Atténuation et ralentissement. Equation de transport. Méthode de Monte Carlo. Diffusion à 2 corps. Sections efficaces. • Interaction des photons avec la matière : Probabilité de transition dans un champ électromagnétique. Absorption. Effet photoélectrique. Diffusion Thomson. Effet Compton. Production de paires. Comparaisons des effets et distributions des électrons détectés. Coefficients caractéristiques. Interaction avec les milieux organisés. Interaction des particules lourdes chargées avec la matière : Ralentissement • nucléaire. Ralentissement électronique : théorie quantique, théorie diélectrique. Ralentissement à basse énergie. Charge effective. Corrections de Barkas-Bloch. Règle de Bragg. • Interaction des électrons avec la matière : Diffusion élastique. Ralentissement par ionisation. Ralentissement de freinage. Effet Cerenkov. Longueur de radiation. Parcours. Cas particulier des positrons. • Interaction des neutrons avec la matière : Classification des neutrons. Diffusion élastique : sections efficaces, ralentissement, parcours. Diffusion des neutrons thermiques, équation de transport. Interactions inélastiques. • Applications : Méthodes danalyses multi-élémentaires par faisceaux dions et par fluorescence X. Dosimétrie des rayonnements ionisants et radioprotection. Effets biologiques.
Méthodes et systèmes de détection (D. Husson, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Application des phénomènes dinteraction rayonnement-matière pour la détection des rayonnements : classification et études des différents systèmes de détection et leurs utilisations pratiques en physique nucléaire fondamentale et appliquée. PROGRAMME :
• Scintillateurs organiques et inorganiques. Association au photomultiplicateur, à la galette à microcanaux, à la photodiode. Application à la détection de neutrons et gammas. Comparaison des matériaux NaI, CsI, BGO, BaF 2 , CeF 3 . Tenue aux radiations. • Détecteurs gazeux : Ionisation, transport, avalanche. Le compteur Geiger et ses descendants : chambres proportionnelles, à dérive, multisteps, MSGC. Détection optique des avalanches. Trajectographie à projection temporelle. Application à limagerie Cerenkov. • Détecteurs solides : Transport et signal. Applications spécifiques à la physique nucléaire. Nouveaux matériaux pour les hautes énergies : AsGa, diamant CVD. Trajectographie de haute précision. Problèmes de tenue aux radiations. • Applications en physique subatomique et grands systèmes de détection : Multidétecteurs en physique nucléaire. Physique des hautes énergies : trajectographie. Calorimétrie. Détection des neutrinos. Eléments délectronique, déclenchement. • Applications en astrophysique :Rayons cosmiques dultra-haute énergie, gerbes Cerenkov atmosphériques. Télescopes gamma. Sources X, neutrinos solaires, galactiques et extragalactiques. • Applications médicales : Radiographie par chambres à fils et par scintillateurs couplés aux capteurs semi-conducteurs. Utilisation des semi-conducteurs lourds. Tomographie par émission de positons. • Applications en biologie et matériaux :Séquençage génétique par autoradiographie et fibres scintillantes. Autoradiographie. Etudes structurales (protéines, virus) par diffractométrie.
Modélisation, analyse des données (J. Baudot, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Maîtrise des techniques de base de la statistique et leur application au calcul derreur et à lestimation de paramètres. Capacité à définir un test quantitatif afin de discriminer plusieurs hypothèses entre e l es. Maîtrise des techniques de modélisation de problèmes physiques rencontrés notamment dans les simulations très utilisées dans le domaine de la physique subatomique. PROGRAMME : • Concepts de bases : Définition des erreurs statistiques et systématiques sur une mesure. Caractérisation statistique dune grandeur à partir de mesures. Rappel sur les variables aléatoires (probabilités), les trois principales lois du hasard, utilité de la loi gaussienne au vu du théorème de la limite centrale. Application : taux de comptage, efficacité, première estimation dune moyenne. • Combinaison de mesures : Probabilités conjointes de plusieurs variables aléatoires, définition et calcul pratique de la corrélation, cas de deux gaussiennes, formule de propagation des erreurs. Application : combinaison de plusieurs mesures de la même grandeur, asymétrie avant-arrière. • Estimation de paramètres : Problème général de la statistique, méthode du maximum de vraisemblance (cas gaussien, calcul derreur, ajustement multiparamétrique, méthode étendue), méthode des moindres carrés (cas linéaire, calcul derreur, loi du chi2), techniques de minimisation. Application : séparation pion/kaon, ajustement dune trajectoire. • Tests dhypothèses : Ajustement dhistogrammes, test du chi2, test de Kolmogorov, estimation dintervalles de confiance. Application : comparaison dhistogrammes, limite de découverte. • Modélisation : Génération de nombre aléatoire, méthodes Monte-Carlo. Application à la simulation, exemple de programmes utilisant ROOT. • Techniques avancées : Analyse discriminante multivariable (linéaire, réseau de neurones), filtre de Kalman pour la trajectographie.
Traitement Informatique dun Projet de physique (J. Baudot, O. Dorvaux, B.Hippolyte)
COMPETENCES A ACQUERIR : Pratique de la programmation en C++ et familiarisation aux analyses de données sous Root. PROGRAMME :
Elaboration dun mini projet informatique en binôme : Les étudiants doivent prendre en charge de manière autonome un problème de physique. Le projet comporte la mise en équation, mise au point et exploitation de logiciels et linterprétation des résultats. Chaque sujet est suivi par un tuteur. Un rapport écrit, illustré par des codes commentés, est demandé ainsi quun exposé oral individuel suivi dune discussion.
Le noyau : approche théorique (M. Dufour, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondir les connaissances de base des approches théoriques en physique nucléaire, et plus particulièrement les applications des méthodes microscopiques et macroscopiques pour l'étude de la matière nucléaire dans des états extrêmes de masse, de forme, de spin et d'isospin. L'étudiant apprendra, grâce aux exemples discutés, interpréter les résultats expérimentaux typiques obtenus avec des apparei l ages contemporains, en utilisant les concepts et les résultats théoriques modernes. PROGRAMME :
• Introduction : Généralités sur les méthodes théoriques : méthodes macroscopiques, semi-classiques et microscopiques. Postulats et approximations dans la théorie du noyau. Observables nucléaires. • Description de linteraction nucléon-nucléon : Champ moyen (concept, propriétés et symétries). Modèle en couches et théorie Hartree-Fock. Méthodes phénoménologiques. Appariement et approximation Hartree-Fock -Bogolyubov. • Noyaux aux extrêmes : - hauts spins : Rotations collective et non-collective, rotateurs quantiques. Approximation du cranking à 2 et 3 dimensions. Bandes rotationnelles, coexistence et transitions de formes. Superdéformation, bandes isospectrales. Interprétation des données expérimentales : transition de phase et changement de structure. - isospins extrêmes : Matière nucléaire diluée, halos de neutrons. Interaction spin-orbite dans les noyaux avec des isospins extrêmes. Mécanismes spécifiques : lappariement dans le continuum. Décroissance β . - Symétries en physique des noyaux : SU 3 , pseudo-spin et pseudo S 3 U . Symétries ponctuelles et les bons nombres quantiques correspondants. Fermions versus bosons. Modèle de bosons en interaction.
Noyaux dans des états extrêmes : approche expérimentale (B. Ga l ; 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Formation dexpérimentateurs en physique subatomique spécialisés en structure nucléaire et mécanismes de réaction, fortement orientés vers de nouve l es thématiques liées principalement aux faisceaux radioactifs et à létude des noyaux loin de la stabilité. PROGRAMME :
• Exploration du noyau suivant le degré de déformation :superdéformation et hyperdéformation. Molécules nucléaires (résonances moléculaires) et clusters (alpha, dimères et polymères nucléaires). Les méthodes expérimentales utilisées. • Noyaux loins de la ligne de stabilité : influence de l'isospin sur la structure (noyaux à halos, nouveaux effets de couches et d'appariement), importance de certains noyaux exotiques en astrophysique nucléaire. Les grands programmes de recherches auprès des accélérateurs en cours de construction ou en projet. • Physique des noyaux lourds et superlourds : structure des noyaux Z > 100. Recherche des superlourds et étude des mécanismes de réaction et modes de croissance (fission, radioactivité, ..). • Instruments spécifiques associés à ces thèmes de physiques : détecteurs de dernière génération (AGATA, GRETA, ...). Accélérateurs de faisceaux radioactifs ou de faisceaux stable à forte intensité (SPIRAL II, RIA, EURISOL, ).
Aspects théoriques de physique des particules (J. Polonyi, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Approfondir les concepts théoriques du Modèle Standard PROGRAMME : • Théorie des champs classique : Formalisme Lagrangien. Théorème de Noether. Théorie de jauge. Brisure spontanée de la symétrie. Mécanisme de Higgs. • Théorie des champs quantique : Quantification canonique. Théorie des perturbations. Règles de Feynman. Renormalisation. • Interaction forte : Modèle des quarks. Confinement. Modèle de la supraconductivité. Brisure de la symétrie chirale. • Interaction faible : Théorie de Fermi. Modèle standard.
Modèle standard et vérifications expérimentales (J.P ENGEL, 18 heures CM)
COMPETENCES A ACQUERIR : Connaissances approfondies de la théorie des interactions élémentaires et de leurs vérifications expérimentales. PROGRAMME :
• Le Modèle Standard : Invariance de jauge. Les groupes de transformation. Modèle de Glashow. Brisure spontanée de symétrie et mécanisme de Higgs. Modèle de Glashow-Salam-Weinberg. Interactions et couplages permis par le Modèle Standard. Matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Extension du Modèle Standard à la Chromodynamique Quantique. Sections efficaces et propagateurs de Feynman. • Collisions à lénergie du Z 0 : Le CERN, le collisionneur LEP et ses détecteurs. Production de paire de fermions. Corrections radiatives. Résultats expérimentaux. Sensibilité à la masse du quark top. Constantes de couplage. • Collisions à environ 200 GeV : Production de paire de bosons W + W -. Retour radiatif. Désintégration du W, mesures de sa masse, couplage à 3 bosons. Contraintes indirectes sur la masse du boson de Higgs, recherche du boson de Higgs standard. • Au-delà du Modèle Standard : Questions restées sans réponse. Le Higgs et les futurs collisionneurs. Nouvelles théories. Grande Unification et SuperSymétrie. Divergences quadratiques. Modèle SuperSymétrique Minimal. Recherche de la SuperSymétrie. • Les collisions pp à lénergie du TeV : Le collisionneur LHC, les détecteurs. Une usine à quark top. Une usine à quark beau. Une machine de découvertes. • Désintégration faible des quarks lourds : Mesure des éléments de la matrice de mélange des quarks. Violation de la symétrie parité-conjugaison de charge CP dans le système K° k 0 K°. Le système B°-B 0 : oscillations temporelles, violation -de la symétrie CP. Désintégrations rares. Tests de lunitarité de la matrice de mélange des quarks. L'expérience LHCb.
