INTRODUCTION

L'horizon de notre Univers, tel que nous l'appréhendons actuellement, c'est-à-dire tel que les instruments d'aujourd'hui permettent de l'explorer, est fixé dans la direction de l'infiniment grand par la distance qui nous sépare des quasars (voir lexique), de l'ordre de $10^{26}$ m et, dans la direction de l'infiniment petit, par la taille des constituants élémentaires de la matière, de l'ordre de $10^{-17}$ m, soit 43 ordres de grandeur !

**Figure 1.1:** Ordre de grandeur de l'*Univers* connu : à l'extrémité de l'*infiniment grand,* la distance qui nous sépare du quasar (RDJ030117+002025), le plus éloigné observé à ce jour et, à l'extrémité de l'*infiniment petit*, l'échelle sub-atomique qui descend jusqu'à la taille du quark.
$\begin{figure} {\par\centering\htmladdimg{images/univers.jpg}\par } \par {\par\centering\includegraphics{images/univers.eps} \par } \par\end{figure}$

L'exploration des confins de l'Univers revient en fait à observer l'Univers dans sa prime jeunesse et nous savons aujourd'hui remonter à des temps où l'Univers n'avait qu'un milliard d'années, soit moins d'environ 8% de son âge actuel [2]. Explorer l'infiniment petit permet d'étudier à la fois les briques élémentaires qui constituent toute matière et les interactions auxquelles les constituants élémentaires sont sujets. Cette exploration est abordée selon deux points de vue. Soit l'on étudie les constituants présents actuellement dans notre Univers froid et vieux de quinze milliards d'années en sondant la matière à l'aide de particules accélérées à des énergies telles que leur longueur d'onde de Broglie est suffisamment petite pour percevoir les détails à l'échelle des constituant élémentaires (des particules accélérées à plusieurs GeV/c sont, par exemple, nécessaires pour voir la matière à l'échelle des quarks). L'autre approche de l'exploration de l'infiniment petit consiste à recréer les conditions de température et de densité qui ont prévalu au cours de l'évolution de l'Univers. La méthode mise en oeuvre consiste à faire entrer en collision des noyaux accélérés à des vitesses propres à créer de la matière nucléaire aux températures et densités souhaitées. Plus l'énergie cinétique disponible dans de telles collisions sera élevée, plus les températures atteintes seront élevées et plus on se rapprochera des conditions dans lequel était l'Univers lors de sa création (l'énergie cinétique des ions accélérés par le LHC sera de l'ordre de quelques PeV ( $10^{15}$ eV) et permettra de recréer les conditions de l'Univers qui ont prévalus quelques $10^{-12}$ secondes à peine après sa création lorsque sa température était de l'ordre de quelques $10^{16}$ degrés. En effet, selon un scénario couramment admis, l'Univers serait né à partir du Big Bang, l'expansion explosive d'une boule d'énergie à partir de laquelle sont créées toutes les particules identifiées à ce jour par les physiciens. L'Univers d'aujourd'hui, dilaté et froid, est ainsi constitué des cendres refroidies de cette phénoménale explosion.

L'objet de ce cours est l'étude de l'infiniment petit: des constituants élémentaires de la matière et des interactions auxquels ils sont soumis. Le cours se limitera cependant à une discussion plus approfondie de l'interaction forte et de la théorie la décrivant, la Chromodynamique Quantique. Toutefois, n'espérez pas y trouver un exposé mathématique de la théorie, l'approche empirique y est préférée. Le but du cours est d'initier les étudiants, qui se destinent à la recherche en physique des particules, à la physique abordée auprès des divers collisionneurs opérationnels ou en construction dans le monde.

Au préalable, il est utile de définir les unités appropriées pour exprimer les quantités étudiées à l'échelle de la physique sub atomique. Les unités fondamentales du système international (mètre, kilogramme, seconde) ne sont pas adaptées dans un domaine où les dimensions spatiales sont inférieures à $10^{-15}$ m (rayon du nucléon) et où les masses sont de l'ordre de $10^{-27}$ kg (masse du nucléon). Pour l'énergie, l'unité retenue est l'électron-volt. La relativité générale relie l'énergie, le moment et la masse au repos d'une particule par la relation: $E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}$ . Il est donc naturel d'exprimer le moment et la masse également en électron-volt. La masse du proton est ainsi égale à 938 MeV/c $^{2}$ . Les dimensions spatiales s'exprimeront en femto mètres ou Fermi: 1 fm = $10^{-15}$ m. Dans tous les calculs de la mécanique quantique apparaîtront systématiquement deux constantes: la constante de Planck et le vitesse de la lumière :

$\begin{eqnarray*} \hbar & = & 6,582\times 10^{-22}\; \mathrm{MeV}\; \mathrm{s}\\ c & = & 2,998\times 10^{-23}\; \mathrm{fm}\; \mathrm{s}^{-1} \end{eqnarray*}$

$\begin{eqnarray*} \left[ \mathrm{longueur}\right] & = & \left[ \hbar c\right] /\... ...t[ c^{2}\right] =\mathrm{GeV}=1,783\times 10^{-23}\; \mathrm{kg} \end{eqnarray*}$