La galerie d’images qui suit contient les informations sur les diagrammes de Feynman qui sont nécessaires pour comprendre leur utilisation dans cet exercice. Ces explications vous sont données à l’aide d’une particule, le muon, très commune pour les physiciens mais assez peu connue du grand public bien qu’elle traverse notre corps très régulièrement. Les muons sont produits dans les collisions entre des particules arrivant de l'espace (les rayons cosmiques) et les atomes de la haute atmosphère, puis voyagent vers la surface de la Terre. Au niveau de la mer, une surface de la taille d’un ongle reçoit environ un muon par minute. Question : combien de muons traversent votre corps chaque année ?



Les trois images sur la gauche illustrent la séquence de désintégration d'un muon tandis que la dernière image montre une annihilation muon-antimuon.



  • Les muons provenant des rayons cosmiques ont une durée de vie très courte avant de se désintégrer : environ 2 millièmes de milliseconde au repos. Sur cette image, vous pouvez voir le diagramme de Feynman décrivant la désintégration d’un muon en un W- et un neutrino muonique. Le W- se désintègre lui-même en un électron et un antineutrino électronique. La chronologie de cette séquence vous est donnée par l’axe horizontal du diagramme qui représente le temps t. Le déroulement dans l’espace de cet événement peut être suivi le long de l’axe vertical désigné par la lettre s (pour « space », espace en anglais). Dans un diagramme de Feynman, il y a toujours des particules incidentes (ici le muon) et d’autres qui sont produites (les neutrinos et l’électron dans cet exemple). Les leptons sont représentés par des lignes droites avec une petite flèche au milieu alors que les particules médiatrices des interactions faible (les bosons W et Z) et électromagnétique (le photon γ) sont matérialisés par des lignes ondulées. Dans ces conventions, les antileptons ont une flèche qui pointe vers le passé.
  • Les interactions sont décrites par des « vertex », ici colorés en rouge. Ces points indiquent les endroits où les lois de conservation (charge, impulsion et énergie) doivent être vérifiées. Le premier vertex montre le processus qui s’est produit le plus tôt : ici la désintégration du muon. Lors de cette réaction une particule W- apparaît. Il s’agit de l’émission d’une particule médiatrice.
  • Le second vertex correspond à la création de particules. A cet endroit, la particule W se transforme en un électron et un antineutrino électron.
  • Et que se passe-t-il si, par hasard, un muon heurte un antimuon lors de son trajet à travers l’atmosphère terrestre ? Et bien ces deux particules se détruisent et donnent naissance à un photon ou à une particule Z. Cette réaction s’appelle une annihilation.


En fait, les diagrammes de Feynman (baptisés ainsi d’après le grand physicien des particules américain Richard Feynman, prix Nobel de physique 1965) sont des représentations des processus d’interaction entre particules qui sont décrits par la théorie quantique des champs. Ce sont plus que de simples images de réactions éventuellement compliquées. En les manipulant, on peut calculer plus facilement la probabilité qu’un processus donné se produise.

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