[Physique des particules]Diffusion à grand angle

[Seirios]

Bonjour à tous,

J'ai lu dans un livre sur la physique des particules la différence que l'on pouvait observer entre la collision de deux particules ne possédant pas de structure interne (du moins à un certain ordre de grandeur), et deux particules possédant elles une structure interne, tels que les protons ou les neutrons.

Dans le premier cas, on observe plusieurs jets de particules, mais qui restent relativement près du ou des faisceaux incidents, qui ont donc un angle de diffusion relativement faible.

Néanmoins, pour le second (la collision de particules à structure interne), on observe quelques jets (un ou deux le plus souvent) qui ont un angle de diffusion relativement élevé, vers les 90° (même si un angle plus faible, tel que 60°, suffit).

Ce que j'aimerais savoir, c'est pourquoi cette différence d'angle de diffusion. Cela est bien évidemment lié à la structure des particules, puisque que c'était largement explicité dans le livre, mais la raison fondamentale m'échappe.

Quelqu'un pourrait-il m'aider ?

Merci d'avance
Phys2
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[Gwyddon]

Bonjour Phys2

Connais-tu la diffusion de Rutherford ? c'est un bon exemple pour comprendre ce phénomène

En effet, dans ce cas il y a une collision de particules (noyau d'Hélium sur des atomes d'or) qui interagissent de manière électromagnétique. Or il se trouve que l'atome a une structure interne : noyau+ électron.

Le noyau va être principalement responsable des diffusions à angle élevé et même de rétrodiffusions

Le calcul montre l'existence de ces rétrodiffusions... Bon ensuite tu peux le voir comment ? Bah... Il y a une histoire de distance minimale d'approche qui joue entre autre..

Demain je t'en dirai peut-être plus, il faut que je me remette le cours sous les yeux

[BioBen]

Pas trop le temps d'expliciter je reviendrais dessus demain. Fais une recherche sur le "form factor".
Grosso modo tu as que :

Or il se trouve que F(q), le "forme factor", est une fonction de sin et cos et donc periodiquement tu as des "chutes" dans la diffraction.

C'est bien expliqué dans le Williams "Nuclear and Particle Physics".
J'essaierai de meiux vulgariser/approfondir plus tard je suis à la bourre

[Gwyddon]

On est d'accord Ben, tu n'as rien expliqué là, et moi non plus d'ailleurs

On s'y met demain ok ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[BioBen]

On s'y met demain ok ?

Oué oué.
Désolé Phys2, j'ai essayé de mettre quelques mots clés

[Gwyddon]

Tu as eu raison, je n'avais pas parlé du facteur de forme dans la section efficace

Bonne fin de journée pour toi

[BioBen]

Ok alors voilà un début d'explication (euh étant donné la question c'est forcément assez compliqué...) :
La section efficace (je ne trouvais plus le mot, merci gwyddon) pour une collision electron=>noyau que ce soit
*chez Rutherford (non relativiste, non quantique sans prendre en compte le spin, masse infinie du noyau) :

*où chez De Mott (relativiste, MQ, spin, masse infinie du noyau):

ne contient aucun facteur d'échelle.

En gros si tu veux il n'y a rien qui dépende d'une longueur, ces equations sont dites "scale invariant". En clair ces formules ne marchent que si tu considères que l'electron et le noyau sont ponctuels (donc qu'ils ne contiennent pas de "longueur intrinsèque").

Pour prendre en compte le fait que le noyau n'est pas ponctuel, il faut rajouter un terme correcteur multiplicatif à ses expressions.
Ce terme est un "facteur de forme" qui va dépendre de la distribution de la masse dans le noyau. Ce facteur de forme est homogène à et donc comme tu le vois ca contient une information sur une longueur caractérstique du noyau. L'ajout de ce facteur de forme fait que les équations ne sont plus "scale invariant" c'est à dire que le noyau a une structure interne.

Pour un noyau sphérique le form factor a cette allure là :

où q est le transfert de quantité de mouvement (~200MeV/c ici) et rho(r) est distribution dans le noyau.
Ce F va être une fonction de sin et cos et donc la section efficace va chuter periodiquement (quand le cos ou le sin s'annulent).

La section efficace totale s'écrit finalement : .

Donc quand tu detectes ce genre de chute dans la section efficace, tu peux en déduire qu'un des objet à une structue interne.
Le graphe ressemble à ca :
http://page.mi.fu-berlin.de/~burkhard/Abstracts/02.jpg
Tu vois clairement les chutes periodiques.

J'espere pas trop t'avoir perdu et avoir plus ou moins répondu à ta question...

[BioBen]

[Rincevent]

salut

Cela est bien évidemment lié à la structure des particules, puisque que c'était largement explicité dans le livre, mais la raison fondamentale m'échappe.

le principe est assez simple : les particules qui n'ont pas de structure interne sont comme ponctuelles. Cela signifie que les particules incidentes passent possiblement pas très loin mais ne les touchent jamais vraiment (la probabilité de toucher exactement le centre d'une cibre est nulle). Le fait de passer pas très loin implique une interaction pas très grande, ce qui a donc pour résultat une déviation pas très grande.

En revanche, les particules qui ont une structure interne sont plus grandes et il est donc possible que la particule incidente tape "en plein dedans" (tu as une chance non-nulle de toucher le centre d'une cibre si ce que l'on nomme "centre" n'est pas juste un point mais tout un disque). Lorsque ce n'est pas le cas et que la particule incidente passe à côté, y'a une faible déviation et c'est donc comme pour une particule ponctuelle. En revanche, lorsque le truc incident tape en plein dans le mille, ça devient comme au billard : le truc qui a été lancé peut être fortement dévié dans une direction presque quelconque...

Evidemment, la "réalité" est un peu plus complexe que ça (entre autres parce que les particules sont quantiques et se comportent un peu comme des ondes), mais l'essentiel est là...

[Seirios]

Mais pour une particule qui possède une structure, comme par exemple le proton, ses constituants sont bien considérés comme ponctuels, et le problème reste le même non ?

[Gwyddon]

Mais dans ce cas tu passe à un autre degré de complexité, en étudiant non pas la diffusion d'une particule par une cible composée de particules de même nature mais par une cible composée elle même de cibles secondaires, ce qui explique des diffusions plus grandes car somme de diffusions sur chacunes de ces cibles secondaires (et un calcul horriblement complexe...)

[BioBen]

Et un petit ajout (à mon ajout surtout, Gwyddon a déja répondu à ton message#10) : c'est aussi ce qui nous fait penser que les quarks sont ponctuels : quand on fait des collisions electrons-quarks (un peu compliqué : ca s'appelle "deep inelastic electron scattering" ici) on remarque qu'aucun coefficient dans la section efficace ne dépend d'une "longueur intrinsèque" (il y a une autre coef, qui s'appelle coefficient de structure mais c'est pas un facteur de forme comme précédemment).

[invite8ef897e4]

Bonjour,

juste pour ajouter que les facteurs de formes dont BioBen a parlé peuvent s'interpréter comme les transformées de Fourier de distributions de charges (moyennant quelques complications dues au recul de la cible et à la relativité...).

ca s'appelle "deep inelastic electron scattering" [...] on remarque qu'aucun coefficient dans la section efficace ne dépend d'une "longueur intrinsèque"

Il s'agit d'une observation dont l'impact historique sur notre compréhension des hadrons est collossale. Avant SLAC (l'accelerateur de Stanford), les gens imaginaient le proton comme un objet dont les constituants étaient d'autres hadrons (ayant donc, comme le proton, une certaine taille finie) interagissant fortement entre eux. A SLAC, ils ont trouvé des contituants ponctuels et libres (n'interagissant pas). Un joli puzzle à l'époque !

Citons ces deux prix Nobel :

• 1990, Friedman, Kendall (USA)et Taylor, au sujet de la diffusion profondement inelastique.
• 2004, Gross, Politzer et Wilczek pour la découverte de la liberté asymptotique.