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Particle Physics for �Teachers

2026 African School of Physics �

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Indico Schedule for Tuesday 07 July 2026

URL: https://indico.cern.ch/ev ent/1688762/timetable/#20260707

Short URL: https://cern.ch/asp26-t0707

Outline: https://quarknet.org/asp26

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Periodic Table of the Elements

Scaler,Michka B, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons

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More fundamental…

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What is the world made of?

Atom�(Noyau de l’atome et nuage électronique)

Électron

Noyau de l'atome

Proton�(2 Up Quarks +�1 Down Quark)

Neutron�(1 Up Quarks +�2 Down Quark)

Oui on peut le faire!

Un atome se compose d'un noyau atomique compact et d'électrons autour de l'enveloppe atomique.

L'électron lui-même ne peut pas être divisé davantage. On dit qu'il est élémentaire ou qu'il s'agit d'une particule élémentaire.

Le noyau de l'atome est composé de particules encore plus petites. Il s'agit de protons et de neutrons.

En fonction du nombre de protons dans le noyau, nous avons différents éléments. Les protons dans le noyau atomique sont chargés positivement. Les électrons de l'enveloppe ont une charge négative. C'est la plus petite unité de charge que nous pouvons avoir : une charge élémentaire. Pour qu'un atome ne soit donc pas chargé, les charges électriques des électrons et des protons se compensent. Nous avons alors le même nombre d'électrons et de protons dans un atome.

Mais les protons et les neutrons ne sont pas encore des particules élémentaires non plus.

Ils sont constitués de up quarks et de down quarks.

Le proton est composé de deux up quarks et d'un down quark.

Le neutron est composé d'un up quark et de deux down quarks.

Et alors, ces quarks sont des particules élémentaires aussi!

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That’s all, right?

NO!

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Quarks

Electric charge: +2/3 or -1/3
Quarks never exist alone!
Strong force: three charges – red, green, blue*
Weak charges +½ or - ½
Quarks form hadrons:

Total electric charge = whole number
Total strong charge = color neutral (white)

Tout d'abord, vous avez les quarks.

Il y en a six.

Ils ont une charge électrique de plus deux tiers ou de moins un tiers de la charge élémentaire.

Mais la charge élémentaire est la plus petite unité de charge qui existe ! Cés pourqui on l'appelle chare ELEMENTAIRE.

Et maintenant, nous avons des particules qui ont une charge électrique inférieure à la charge élémentaire ?

Comment est-ce possible ?

C'est possible parce que les quarks n'existent pas seuls, mais se présentent toujours en groupes!

Ils ont aussi ce qu'on appelle une charge forte ou une charge de couleur:

Bleu, rouge ou vert.

Cela n'a rien à voir avec les couleurs visibles ! Ce sont seulement des noms de propriétés.

Tout comme le plus et le moins ne sont que des noms pour des charges électriques.

De plus, les quarks ont une charge faible de plus ou moins un et demi.

Les quarks forment toujours ensemble des hadrons. Les hadrons ont au total une charge électrique entière et une charge forte "blanche"

Par example ….

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Hadrons

Proton:

⅔ +⅔ -⅓ = 1

u + u + d

blue + red + green = neutral

Neutron:

⅔ -⅓ -⅓ = 0

u + d + d

blue + red + green = neutral

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Leptons

Electron, Muon, Tau:

No strong charge
Intergral electric charge
Weak charge

Neutrinos:

No strong charge
Zero electric charge
Weak charge – only interactions
Tiny mass

Le prochain grand groupe est celui des leptons. Tous les leptons n'ont pas de charge de couleur. C'est pourquoi ils apparaissent seuls.

Vous connaissez déjà l'électron avec une charge électrique négative de un.

Mais l'électron a encore deux frères. Ils ont les mêmes propriétés que l'électron, mais ils sont beaucoup plus lourds.

L'électron, le muon et le tauon ont une charge faible de moins un et demi.

Ensuite, il y a les neutrinos. Pour chacun des trois leptons chargés électriquement, nous avons encore un neutrino. Le neutrino n'a pas de charge électrique. Mais Il a une charge faible de plus demi.

Aucun des leptons ne porte de charge de couleur. C'est pourquoi ils peuvent se présenter seuls.

Je trouve les neutrinos particulièrement cools parce que j'ai écrit mon these de master sur les neutrinos et sur la manière de les différencier. Ce n'est pas si simple. En general, il est très difficile de mesurer les neutrinos. Ils se forment par exemple dans le soleil et arrivent jusqu'à nous.

Si vous regardez l'ongle de votre pouce, il y a soixante-dix milliards de neutrinos qui le traversent chaque seconde.

Mais comme les neutrinos n'ont pas de charge électrique, ils ne font presque rien. En autre ils sont tres leger. En fait, nous ne savons pas encore à quel point ils sont légers. Nous n'avons pas encore pu mesurer leur masses.

Mais assez parlé de neutrinos

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Three Generations

Go back and look at our protons, neutrons, and electrons.

Which generations of particles are they made of?

Quarks

Leptons

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Antimatter - Antiparticles

For each type of particle de matter there is an antiparticle with:

Same mass
Same lifetime
Opposite charges:

Electric
Strong
Weak

Antiquarks

Antileptons

3 Générations

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The Four Elementary Interactions

Gravitation

Strong

Electromagnetic

Weak

Regardons la gravitation :

La gravitation est responsable de l'attraction des particules qui ont une masse.

Elle est la cause de l'attraction terrestre.

C'est aussi grâce à elle que les planètes tournent autour du soleil.

Mais la gravitation est très faible ! Elle ne joue aucun rôle au niveau des particules élémentaires. On peut la négliger.

C'est très pratique, car si nous sommes honnêtes, nous n'avons pas vraiment compris la gravitation. Elle n'est pas incluse dans le modèle standard.

La force électromagnétique est très fréquente dans la vie quotidienne.

Elle se manifeste sous la forme d'ondes électromagnétiques. Par exemple, sous la forme de lumière, d'ondes radio, de micro-ondes pour réchauffer les aliments ou de rayons X. Ce sont toutes des ondes électromagnétiques de différentes longueurs d'onde.

En outre, la force électromagnétique assure la cohésion des atomes et des molécules. En raison de la charge électrique des électrons et du noyau atomique ceux-ci s'attirent.

C'est sur cette base que se construit toute la chimie !

De plus, sans la force électromagnétique, il n'y aurait pas d'aimants.

Vous n'avez probablement pas encore entendu parler de l'interaction forte.

L'interaction forte fait en sorte que les quarks restent ensemble en tant que hadrons. Par exemple, sous forme de protons et de neutrons.

Les protons et les neutrons restent également ensemble dans le noyau atomique en raison de l'interaction forte, bien qu'ils se repoussent en raison de leur charge électrique.

C'est pourquoi on l'appelle l´interaction forte, car c'est l´interaction la plus forte. Alors que la gravitation s'étend très loin et que la Terre est attirée par le Soleil, l'interaction forte ne s'étend que sur une très très courte distance.

L'interaction faible est certes appelée force faible, mais elle n'est pas aussi faible que la gravitation.

Elle fait en sorte que les éléments se transforment en d'autres éléments par la désintégration bêta.

Elle est également importante pour la production de neutrons dans le Soleil. Ainsi, des éléments plus lourds peuvent être formés dans le Soleil.

En général, l'interaction faible est la seule interaction qui peut transformer des quarks en leptons et des leptons en quarks.

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The Four Elementary Interactions

Gluons

Photon

W+ Boson, W- Boson & Z Boson

Hmmm...maybe General Relativity is enough. Or not.

Pour la gravitation, on ne connaît pas du tout la particule qui transmet l'interaction.

Nous avons une bonne idée du fonctionnement de la gravitation à l'échelle de l'univers.

Mais si nous considérons les particules les plus petites, notre description mathématique ne fonctionne pas aussi bien.

C'est une question ouverte qui fait l'objet de recherches.

Ce que nous connaissons bien, c'est l'interaction électromagnétique.

Pour deux particules chargées qui se repoussent, cette boule est un photon, la particule de l'interaction électromagnétique.

La lumière est également un photon que nous pouvons voir lorsqu'il interagit avec les molécules de notre œil.

Des gluons sont échangés entre les quarks d'un hadron. Gluon comme le mot anglais glue qui signifie colle.

Parce que les gluons 'collent' les quarks dans les hadrons.

Sur votre carte, vous voyez huit gluons de différentes couleurs.

Les gluons peuvent en effet interagir avec les quarks et avec eux-mêmes.

Les bosons W (‘double Weh”)+ , W- et Z font partie de l'interaction faible.

Contrairement aux photons et aux gluons, les bosons W et Z ont une masse.

De plus, les bosons W ont une charge électrique. Ainsi, lors d'une interaction, la charge électrique peut également changer et les quarks peuvent se transformer en leptons.

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Particle interaction quiz!

Mobile phone call
Beta decay
Atomic nuclei are stable even though protons repel electromagnetically
A compass points north
Two atoms form a chemical bond
A glass falls from the table
Two up quarks and a down quark form a proton
The sun shines

✓

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Examples of interactions

β− decay

Electrons repel

time

space

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Higgs

Electrically neutral
No strong charge
Weak charge -1/2
Responsible for the masses of elementary particles
Last to be discovered: 2012

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Higgs

Service graphique, CERN

Pour trouver la particule de Higgs, les physiciens construisent la plus grande machine jamais construite par l'homme.

Un énorme accélérateur au CERN près de Genève. L'accélérateur de particules, le "Grand collisionneur de hadrons" (LHC), se trouve à environ 100 m sous terre et a une circonférence de 27 km.

Avec cette machine, les protons sont accélérés et entrent en collision au milieu de l'un des quatre détecteurs pour créer de nouvelles particules. Par exemple, le boson de Higgs.

Vous pouvez imaginer vos protons comme des fraises.

Vous les accélérez et, en accélérant, ils acquièrent de l'énergie.

Lorsqu'ils s'entrechoquent, leur énergie est transformée en nouvelles particules. Toute une salade de fruits de nouvelles particules est créée.

J'aime bien l'imaginer avec des fruits, car c'est tellement bizarre.

Le problème est que nous ne savons pas quel type de fruit - ou de particule - sera créé, et certains sont plus probables, d'autres beaucoup moins.

Nous devons donc examiner un grand nombre de collisions pour éventuellement détecter un boson de Higgs dans notre salade de fruits.

Mais finalement, en 2012, les physiciens du CERN ont collecté suffisamment de data pour découvrir le boson de Higgs. Tout le monde était heureux et enthousiaste.

Peter Higgs et Francoit Englert, qui ont prédit la particule de Higgs, ont reçu le prix Nobel de physique en 2013 (deuz mille treize ) pour la prédiction correcte.

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Review

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More…

How do we know?
How can we measure particles?

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The fundamental particle physics experiment

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Qu’est que c’est le LHC? (CERN en 3 minutes, 2019)

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Large Hadron Collider - LHC��

�

https://www.innovationnewsnetwork.com/technology-in-relativistic-heavy-ion-collider-physics-research/6466/

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Collider experiments: the beam is the target!

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One possibility: A neutral particle (Z boson, for example) is produced – and decays into 2 muons��

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Speaking of muons…��