Physique des particules

Chromodynamique quantique (QCD)

Observez un photon de haute énergie se convertir en paire électron–positron dans le champ nucléaire, puis les traces en spirale des deux particules dans le champ du détecteur. Faites varier l’énergie et le champ pour vérifier le seuil $E_γ\geq1{,}022$ MeV et le rayon $r=p/(qB)$ inverse à B.

Recherche

Matériel

Chambre de détection virtuelle avec champ magnétique et champ coulombien nucléaire
Curseur d’énergie du photon (affichage en MeV)
Curseur de champ magnétique (affichage en teslas)
Bouton « Changer la répartition » partageant l’énergie entre les deux particules
Bouton Pause et deux traces hélicoïdales opposées sur le canevas 3D

Protocole

Créer une paire au-dessus du seuil
Descendez l’énergie sous 1 MeV : l’affichage signale « Eγ sous le seuil 1,022 MeV » et aucune paire n’apparaît. Montez à plusieurs dizaines de MeV : le photon devient un électron et un positron — le seuil est l’énergie au repos $2m_ec^2\approx1{,}022$ MeV des deux particules.
Lire le rayon des traces dans le champ
À énergie fixe, observez les deux traces s’enrouler en sens opposés — l’électron et le positron ont des charges contraires. Diminuez B : les spirales s’élargissent car le rayon $r=p/(qB)$ est inversement proportionnel à B ; c’est ainsi que les détecteurs mesurent l’impulsion.
Modifier la répartition et comparer les gerbes
Appuyez sur « Changer la répartition » pour redistribuer l’énergie du photon : la particule moins énergétique s’enroule plus serré. Poussez Eγ au maximum : les traces secondaires se multiplient, évoquant la gerbe que la QCD hadronise depuis quarks et gluons dans un vrai détecteur.

Simulation

Histoire de l’expérience

La création de paires γ → e⁺e⁻ fut prédite par l’électrodynamique quantique des années 1920 et observée d’abord en chambre à brouillard ; en 1932, Carl Anderson découvrit le positron dans les rayons cosmiques grâce à la technique de courbure magnétique illustrée ici. La chromodynamique quantique fut bâtie au début des années 1970 : Murray Gell-Mann posa le cadre de la charge de « couleur » depuis son modèle de quarks (1964), et en 1973 David Gross, Frank Wilczek et David Politzer montrèrent que l’interaction forte s’affaiblit à courte distance — la « liberté asymptotique » explique pourquoi les quarks n’apparaissent jamais seuls, mais sous forme de gerbes de hadrons dans les détecteurs.

Physiciens associés

Richard Feynman Paul Dirac Carl David Anderson Murray Gell-Mann David Jonathan Gross Hugh David Politzer Frank Anthony Wilczek

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