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Chaîne de désintégration radioactive

No documento UE NP800 : Physique Nucléaire - LPNHE (páginas 74-124)

96) Application : Calcul de la section efficace différentielle de

Cours 2 Chaîne de désintégration radioactive

4 Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels)

Les différents types de radioactivité

Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓi et rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

6 Chaîne de désintégration radioactive et Équation de H. bateman (Problème traité en cours)

Les différents types de radioactivité

Plan-Contenu

4 Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

6 Chaîne de désintégration radioactive et Équation de H. bateman (Problème traité en cours)

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Un exemple de radioactivité naturelle : le carbone

146C

Le carbone146Cest un isotope radioactif du carbone qui est un élément chimique possédant :

2 isotopes stables :

12

6C(98,8 %)

13 6C(1,1 %)

des traces de nombreux radionucléides de96Cà176C.

Le146Cnaturel est produit naturellement dans la haute atmosphère par l’action des neutrons cosmiques sur les atomes d’azote.

14

6C147 N+e+νe

Niveau d’activité en carbone146Catmosphérique depuis 1800

Les différents types de radioactivité

Chaîne de désintégration radioactif de l’uranium

23892U

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Radioactivité :

α,β+

,

β

et

γ

Particules alphaα:

Ce sont desnoyaux d’hélium(42He) .

Masse importante, légèrement déviées par un champ~Eou~B.

Faible pouvoir de pénétration :. Quelques centimètres d’air ou une mince feuille de papier d’aluminium les arrête.

Particule bêta moins(β)

Ce sont des électrons.

Masse faible, facilement déviées par un~Eou~B.

pouvoir de pénétration moyen : plusieurs mètres d’air ou quelques centimètres d’aluminium les arrête.

Particules bêta plus(β+)

Ce sont des positons(e+)(antiparticules dese)

Rayons gamma(γ)

Les(γ)sont des rayonnements

électromagnétiques de grande énergie donc de faible longueur d’onde.

Grand pouvoir de pénétration :

Ils peuvent pénétrer dans plus de un mètre de plomb.

Les différents types de radioactivité

Réaction de désintégration

α

Une particuleαest un noyau d’hélium (42He).

La désintégrationαconcerne les noyaux qui sont lourds (A > 180 nucléons).

Le noyau initial dit noyau père (AZX) émet un noyau d’hélium.

Le noyau résultant dit noyau fils (A−4Z−2Y) devient plus stable.

La réaction de désintégrationαs’écrit :

AZX→A−4Z−2 Y+42He

L’uranium23892Uest un émetteurα: 238

92U→23490 Th+42He

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Réaction de désintégration

β

Le noyau père (AZX) possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons.

Un neutron du noyau se transforme en proton, avec émission d’un électron (e) et d’une antiparticule appelé anti-neutrino électronique (νe)

n→p+ee

La réaction de désintégrationβs’écrit : A

ZX→Z+1AY+ee

Le carbone 14, qui sert à la datation des objets est émetteurβ, le noyau fils est de l’azote :

14

6C→147 N+ee

Les différents types de radioactivité

Réaction de désintégration

β+

Le noyau père possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons.

Dans le noyau un proton se transforme en neutron, avec émission d’un positon (e+) et d’une particule appelé neutrino électronique (νe).

p→n+e+e

La réaction de désintégrationβ+s’écrit : A

ZX→Z−1A Y+e+e

Le phosphore 30 est émetteurβ+, le noyau fils est du silicium 30

15P→3014 Si+e+e

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Désexcitation

γ

:

APRÈS UNE DÉSINTÉGRATIONα,β+etβ, DANS LA PLUPART DES CAS, L’ÉLECTRON OU LE POSITON OU LA PARTICULE ALPHA NE PEUT PAS SORTIR DE LA SOURCE (SI ELLE EST SCELLÉE), DONC LE DANGER NE VIENT PAS

MAJORITAIREMENT D’EUX MAIS PRINCIPALEMENT DU PHOTON γQUI PEUT ÊTRE PRODUIT ET QUI TRAVERSE FACILE TOUTES MATIÈRES.

Le noyau fils engendré par radioactivitéα,β+etβpeut se trouver dans un état excité, notéAZX?, Il peut se désexciter vers un état d’énergie plus basse qui peut être son état fondamental

A

ZXen émettant un photonγ:

A

ZX?AZ X+γ

La production du noyau fils excité d’azote 14 après la désintégrationβdu carbone 14 est suivie de l’émission du rayonnement gamma, avec désexcitation du noyau fils :

14

6C→147 N?+ee,147N?147 N+γ

Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique)

Plan-Contenu

4 Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Les différents types de radioactivité

Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique)

Interaction du photon avec la matière : Effet Photoélectrique

Le photon incident interagit un électron du cortège électronique.

L’énergie du photon incident (Eγ) est totalement transférée à un électron d’une couche interne (photo-électron).

Cette réactions ne peut se faire qu’avec un électron lié car il faut l’atome permet d’assurer la conservation de l’énergie et de l’impulsion.

La vacance créée dans la couche interne est comblée par un électron issu d’une couche plus externe, l’énergie étant libérée sous forme d’un photon X de fluorescence ou d’un électron Auger.

Les photons X de ré-arrangement des couches électroniques portent le nom générique de la couche contenant la vacance initiale : XK, XL,...

γ + e

lié

→ e

Photo-électron

La conservation de l’énergie et de l’impulsion implique :

EPhoto-électron=Eγ−Eliaison

Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique)

Interaction du photon avec la matière :effet Compton

Le photon incident interagit un électron faiblement lié, voire libre.

Cet électron a une énergie de liaison beaucoup plus faible que celui impliqué dans l’effet photoélectrique.

L’électron cible est expulsé dans une direction donnée : c’est l’électron Compton.

Le photon incident est diffusé dans une direction qui fait angleθavec la direction incidente.

Lorsque l’énergie du photon incident croît, l’énergie emportée par l’électron Compton devient de plus en plus importante par rapport à celle du photon diffusé.

γ + e → γ

0

e

0

Arthur Holly Compton (né le 10 septembre 1892 à Wooster (Ohio) et mort le 15 mars 1962 à Berkeley (Californie) était un

physicien états-unien.

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique)

Interaction du photon avec la matière : création de paire (effet de matérialisation)

L’énergie du photon incident est totalement absorbée pour la création d’une paire

électron-positon.

La création de paire a lieu

uniquement si l’énergie du photon incident (Eγ) est supérieur à deux fois la masse de l’électron (mec2) Eγ>2mec2=1,022 MeV

Le positron après ralentissement dans la matière, au repos,

s’annihilent avec un électron de la matière générant un paire de photons de 511 keV émis à 180o l’un de l’autre.

Loi de filiation, activité et période

Plan-Contenu

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Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Loi de filiation, activité et période

Noyaux stables, noyaux instables

Un noyau stable garde indéfiniment la même structure

C’est le cas par exemple d’un des isotopes du carbone, l’isotope126C.

Un noyau radioactif est instable

A une date inconnue, il se désintègre spontanément en un autre noyau en émettant des particules (α,β,γ, etc ..).

C’est le cas de l’ isotope du carbone, le146C:146C147 N+e+νe

Domaines de stabilité et d’instabilité des noyaux :

Loi de filiation, activité et période

Loi de filiation simple

Loi de filiation simple : exemple146C→147 N+ee

SiN(t)est le nombre de noyaux de carbone146Cà l’instant t.

La variation par unité de tempsdNdt est proportionnelle au nombre de noyaux de carbone 14N(t)

−dN

dt =λN(t)⇒N(t) =N0e−λt

Cette constante de proportionnalité, notéeλ, est la constante radioactive, elle représente la probabilité pour qu’un unique noyau se désintègre.

La période ou la duré de demi-vieT1/2est la durée au bout de laquelle la moitié des atomes initiauxN0se sont désintégrés.

T1/2= ln2

λ N(t) = N0

2

t T1/2

La durée de vie moyenneτétant :

τ= Z

0

t|dN(t) N0

|dt= Z

0

tλe−λtdt= 1 λ

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Loi de filiation, activité et période

Courbe de décroissance radioactive et activité

L’ activité, notéeA(t), est le nombre de désintégrations par seconde :

A(t) =λN(t)

=λN0e−λt=A0e−λtpour une loi de filiation simple

L’unité de l’activité est le Becquerel (Bq) qui correspond à une désintégration par seconde.

Le curie (Ci) est souvent utilisé (1 Ci = 3,7 1010Bq) et représente la radioactivité de 1 g de radium.

Loi de filiation, activité et période

Notion de période biologique et de période effective

1 Lors d’une contamination interne, les caractéristiques physico-chimiques du radionucléide de période radioactiveTrad.déterminent le tissu biologique sur lequel il se fixe.

2 Son élimination, après métabolisation dépends de sa période biologiqueTbiol..

3 Par exemple, l’évolutionN(t)des noyaux d’iode12553Iqui sont fixés la thyroïde s’écrit :

dN= ln2 Trad.

Ndt ln2 Tbiol.

Ndt

= ln2 Teff.

Ndt avec Teff.= Tbiol.Trad.

Tbiol.+Trad.

N(t) =N0exp

tln2 Teff.

«

La période radioactive l’iode12553Iest de 60,2 jours, sa période biologique dans la thyroïde est de 128 jours, sa période effective est de donc de 42 jours (l’iode12553I étant responsable de cancers de la thyroïde).

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Loi de filiation, activité et période

Évolution avec un taux d’absorption constant

1 Si par exemple l’air ou la nappe phréatique sont contaminés et que l’on absorbe continuellementC0noyaux d’iode12553Ipar unité de temps.

2 L’évolutionN(t)des noyaux d’iode12553Idans la thyroïde s’écrit :

dN

dt = C0 ln2 Trad.

N ln2 Tbiol.

N=C0 ln2 Teff.

N

N(t) = C0

Teff.

ln2

1exp

tln2 Teff.

««

3 Quelle est l’activité dans la thyroïde ? Que devient-elle pour des temps assez grands (on dit que l’on est à l’équilibre) ?

A(t) = ln2 Trad.

N(t) =C0

Teff.

Trad.

1exp

tln2 Teff.

««

t→∞lim A(t) = C0

Teff.

Trad.

=C0

Tbiol.Trad.

Tbiol.+Trad.

1 Trad.

=C0

Tbiol.

Tbiol.+Trad.

<C0

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri

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Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri

Largeur Partielle

Γi

et rapport d’embranchement

Bri

Si pour une particule (noyau), il existe plusieurs voies possibles (réactions possibles) de désintégrations ayant chacune comme probabilité de désintégration par unité de tempsλi.

La variationdNi du nombre totaleN(t)de noyaux s’écrit

dNi =−λiNdt (109)

La variation totaledN du nombre totaleN(t)de noyaux s’écrit

dN =dN1+dN2+· · ·+dNi+· · · (110)

= (λ12+· · ·+λi+· · ·)Ndt =−λNdt (111)

Le rapport d’embranchementBri est la fraction de noyaux qui se désintègre dans la voieiparmi tous ceux qui ce désintègrent, on a

Bri =dNi dN = λi

λ = Γi

Γ avec Γi =~λi (112)

Exemple de largeur et de durée de vie

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Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Exemple de largeur et de durée de vie

Désintégration d’un noyau de

13755Cs(source utilisée en TP)

Informations sur le césium Le césium naturel, découvert en 1861, est constitué du seul isotope stable 133Cs.

L’isotope13755Csest utilisé en médecine comme source de rayonnement pour traiter le cancer du col de l’utérus et de la vessie.

Les déchets radioactifs et retombées d’essais nucléaires atmosphériques et de

l’accident de Tchernobyl peuvent contenir du césium 134, 135 ou 137.

Désintégration d’un noyau de13755Cs

13755Cs→13756 Ba?+ee (Br=93%) (113)

137

56Ba?13756 Ba+γ (Br∼100%) (114)

Exemple de largeur et de durée de vie

Noyau de

13756Ba

Largeur de l’état excité à 1251,8keVde périodeT1/2=0,354ps

Γ =~λ=~

τ = ~ln 2

T1/2 =~cln 2

cT1/2 (115) ' 197×0,693

3.108×1015×0,354 10−12 (116)

'1.29 10−3eV (117)

Désintégrationβ±, capture électronique (CE) et désexcitation du noyau (rappels) Exemple de largeur et de durée de vie

Premiers états excités du noyau d’uranium

23692U

La fonction d’onde du neutron

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Interaction des photon avec la matière (cf travaux pratique) Loi de filiation, activité et période

Largeur PartielleΓiet rapport d’embranchementBri Exemple de largeur et de durée de vie

5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) La fonction d’onde du neutron

Étude de la notion de masse d’une particule instable comme le neutron

Quelle est la distribution en énergie d’un système instable comme le neutron qui se désintègre par émissionβavec une vie moyenne τ=λ1?

n→p+e+ ¯νe (118)

On considère le neutron comme une onde (dualité onde-corpuscule) et on noteψn ~r,t

sa fonction d’onde.

La probabilitédPde présence du neutron à l’instanttdans l’élément de volumed3r entourant le point~r s’écrit :

dPn=

ψn ~r,t

2d3r (119)

La probabilitéPnde trouver ce neutron, à l’instantt, dans le volumeV est :

Pn= Z

V

dPn= Z

V

ψn ~r,t

2d3r (120)

La fonction d’onde du neutron

La fonction d’onde d’une particule stable comme le proton

Dans le cas d’un proton, indéfiniment stable,

au repos dans le laboratoire (E =mpc2),

d’après la mécanique quantique la fonction d’ondeψp ~r,t s’écrit :

ψp ~r,t

=e−iωptψp ~r

=e−iE~tψp ~r

(121)

La probabilité totalePpde trouver ce proton à l’instant t dans le volumeV très grand V → ∞ (' fm3 ! !)

est :

Pp= Z

V

dPp= Z

V

ψp ~r,t

2d3r= Z

V

ψp ~r

2d3r =1 (122)

Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) La fonction d’onde du neutron

Probabilité de présence du neutron donnée par la loi radioactive

La probabilité totalePndt de trouver un neutron dans l’espace entre les instantt ett+dt n’est pas constante car il est instable. On sait que

SiNn(t)est les nombre moyen de neutrons dans l’espace, d’après la loi de la radioactivité, on a sit≥0

dNn(t) =−Nn(t)λdt (123)

⇒Nn(t) =Nn(t=0)exp(−λt) (124) doncPnla probabilité de présence du neutron dans tout l’espace par unité de temps s’écrit en fonction deλ

Pn=Pn(t) = Nn(t)

Nn(t =0) =exp(−λt) (125)

= Z

V→∞

ψn ~r,t

2d3r (126)

La fonction d’onde du neutron

Fonction d’onde d’une particule instable comme le neutron

La probabilité de présence d’un neutron dans le volumeV décroît donc exponentiellement, on a donc

Z

V→∞

ψn ~r,t

2d3r =exp(−λt) (127)

La contrainte donnée par l’eq. 127, ci-dessus, donne comme fonction d’onde du neutron au reposψn ~r,t

la forme suivante pour des tempst ≥0.

ψn ~r,t

=exp

−λ 2t

exp(−iωnt)ψn ~r

(128)

=exp

−λ 2t

exp

−iEn

~ t

ψn ~r

(129)

=exp

−λ 2t

exp

−imnc2

~ t

ψn ~r

(130)

Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) Détermination de la distribution en énergie

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La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Détermination de la distribution en énergie

Détermination de la distribution en énergie du neutron au repos

La distribution en énergieE, d’une particule instable au repos, s’obtient en mécanique quantique, en déterminant la transformée de fourier˜f(ω=E

~)du facteur temporellef(t)de la fonction d’onde, f(t) =exp

−λ 2t

exp(−iωnt)sit ≥0, sinon0 (131)

= 1

√2π Z

exp(−iωt)˜f(ω)dω (132)

avecωn=En

~ etω=E

~

˜f(ω) = 1

√2π Z

exp(iωt)f(t)dt (133)

= 1

√ 2π

Z 0

exp(iωt)exp

−λ 2t

exp(−iωnt)dt (134)

Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) Détermination de la distribution en énergie

Largeur de désintégration

Γ

et transformée de fourier du facteur temporelle de la fonction d’onde

f(t)

˜f(ω= E

~ ) = 1

√ 2π

Z 0

exp

−λ

2t+i(ω−ωn)t

dt (135)

= 1

√ 2π

exp −λ2t+i(ω−ωn)t

λ2+i(ω−ωn)

0

(136)

= 1

√2π

1

λ

2 −i(ω−ωn) (137)

= 1

√2π~

1

Γ

2−i(E−En) (138)

où la largeur de désintégrationΓ, en fonction de la constante de désintégration radioactiveλ, s’écrit

Γ =λ~ (139)

Détermination de la distribution en énergie

La distribution en énergie du neutron au repos est une Breit et Wigner

La probabilité de trouver le neutron avec une énergie comprise entre EetE+dE, s’écrit

P(E)dE =C

˜f(ω=E

~ )

2

dE (140)

= C 2π~2

1

Γ2

4 + (E−En)2dE (141)

= 1 2π

Γ

Γ2

4 + (E−En)2dE si ΓEn (142) où on a déterminéCen normalisant la densité de probabilitéP(E),

Z 0

P(E)dE =1= C 2π~2

Z 0

1

Γ2

4 + (E−En)2dE (143)

Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) Détermination de la distribution en énergie

Remarque : calcul de la normalisation de la Breit et Wigner

Z 0

P(E)dE = C 2π~2

Z 0

1

Γ2

4 + (E−En)2dE (144)

= 2C π~2Γ2

Z 0

1 1+

E−En

Γ/2

2dE (145)

= 2C π~2Γ2

Z

−En Γ/2

1 1+x2

Γ

2dx (146)

= C

π~2Γ arctan(x)|En

Γ/2 (147)

= C π~2Γ

π

2 −arctan −En

Γ/2

=1 (148)

Soit

C= π~2Γ

π

2 −arctan

−En

Γ/2

'~2Γ si ΓEn (149)

La distribution de Breit et Wigner

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5 Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels)

La fonction d’onde du neutron

Détermination de la distribution en énergie La distribution de Breit et Wigner

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Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) La distribution de Breit et Wigner

Définition de la masse d’une particule instable comme le neutron

La masse du neutronmnest donc une variable aléatoire dont les valeurs∈[0,∞]et sont distribuées selon la loi de Breit-Wigner.

La masse du neutron

E0=En=mnc2 (150) '939,565346(23)MeV (151)

La largeur du neutron Γ =~λ= ~

τ =~c

cτ (152)

' 197

3.108×1015×900 (153)

'7 10−25MeV (154)

Cette largeur est expérimentalemnt non mesurable !

La distribution de Breit et Wigner

Comparaison entre une Breit et Wigner et la courbe de Gauss

La distribution de Breit-Wigner est complètement déterminée par

Enla position de son maximum.

Γsa largeur à mi hauteur.

le fait que c’est une ditribution symétrique.

est la généralisation de la densité de probabilité de CauchyP(x) =1 1+x12. a une variance (carré de l’écart-type) ainsi que ses autres moments infinis (intégrales indéfinies).

Le concept de masse et de largeur d’une particule instable (cas du neutron) (rappels) La distribution de Breit et Wigner

La masse de la particule

Σ+(uus)-

τΣ+ = (8,

018

±

0.026)

×

10

−11 s,mΣ+ =

1189, 37

±

0, 07

MeV

,

ΓΣ+ '

10

−5eV

Les particules Sigma sont des baryons composés d’un quark étrange (dit quark s) et d’une combinaison de quarks up et down. Ils sont notés avec la lettre grecque majuscule Sigma (Σ), avec en exposant leur charge électrique,

déterminée par la combinaison de quarks u et d qu’ils possèdent. On observe ici seulement la largeur expérimentale qui est due aux erreurs de mesure

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