moments-cinétiques et symétries

Les moments cinétiques, en mécanique classique, ont de nombreuses applications: gyroscope, bicyclette, nutation des étoiles… Nous les abordons ici en physique atomique, en décrivant l’ancien  modèle planétaire de l’atome d’hydrogène, où l’électron tourne autour du proton, sa force centrifuge équilibrant la force d’attraction électromagnétique. Ce modèle est maintenant abandonné, mais il montre l’utilité du concept de moment cinétique en physique atomique.

En mécanique quantique, ce concept joue un rôle encore plus important, quoique complètement différent. Les « fonctions d’onde », qui régissent les probabilités de présence pour tous les points de l’espace, dépendent, en coordonnées polaires des moments cinétiques, et les valeurs de ces derniers sont proportionnelles à des entiers ou demi-entiers. Dans un premier temps, nous illustrons ces fonctions d’onde  en coordonnées polaires et plus spécialement les effets de l’opération Parité, qui consiste comparer la fonction d’onde en un point et au point qui lui est opposé dans l’espace (aux « antipodes »  pour une planète) .

Comme certains moments cinétiques sont, pour des systèmes isolés, des « constantes du mouvement » (ils ne varient pas au cours du temps quelles que soient les interactions), on conçoit alors qu’ils jouent un rôle prépondérant dans la désintégration des particules élémentaires: on arrive ainsi à des règles de sélection, liées aux règles de symétrie des interactions produisant ces désintégrations, interactions fortes, électromagnétiques, ou faibles; pour les deux premières, la Parité est conservée, ainsi que, pour les états initiaux neutres,  la conjugaison de Charge C (symétrie particule-anti-particule, ou  charge positive-charge négative) ; pour les interactions fortes, la « Parité G », ou indépendance isotopique, est conservée. Ce sont ces relations entre P,C et G en fonction des moments cinétiques qui sont illustrées pour les désintégrations des mésons « légers »,  ne comprenant que deux des trois quarks les plus légers.

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Publié par

Benoît Delcourt

Professeur d'Université à Paris XI, centre d'Orsay. Spécialité de recherche: la physique expérimentale des particules élémentaires. Après une thèse sur la photoproduction du méson éta, j'ai participé aux expériences sur les anneaux de collision ACO et DCI, puis sur une expérience d'annihilation p-pbar au CERN, enfin à l'epérience H1 à Hambourg. Je tiens à rendre hommage à mes maîtres, aujourd'hui disparus: Jean Pérez-Y-Jorba et Jean-Claude Bizot.