Particule relativiste

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En physique des particules, une particule relativiste est une particule ayant une énergie cinétique supérieure ou égale à son énergie de masse au repos . Plus précisément, une particule relativiste est une particule dont la vitesse est comparable à celle de la lumière [1].

Cette condition est réalisée en particulier pour les photons dans la mesure où les effets décrits par la relativité restreinte sont capables de décrire leur comportement. Il existe plusieurs approches pour décrire le mouvement des particules relativistes simples ou multiples. Un exemple important étant les postulations faites à travers l'équation de Dirac du mouvement pour une particule isolée[2].

La relation énergie-impulsion d’une particule peut s’écrire sous la forme suivante[3] :

où est l'énergie, est la quantité de mouvement, et est la masse au repos. Lorsque la masse au repos tend à être nulle, par exemple dans le cas des photons, ou que l'impulsion a tendance à être grande, par exemple pour des protons de haute énergie, cette relation se simplifie en une dispersion linéaire :

Cette expression est différente de la relation énergie-impulsion parabolique dans le cas des particules classiques. Ainsi, dans la pratique, la linéarité de la relation énergie-impulsion est considérée comme une caractéristique clé des particules relativistes. Les deux types de particules relativistes sont caractérisées respectivement comme des particules sans masse et des particules massives.

Les particules massives sont considérées relativistes lorsque leur énergie cinétique est comparable ou supérieure à leur énergie de masse au repos . En d’autres termes, une particule massive est relativiste lorsque son énergie totale est au moins deux fois supérieure à son énergie de masse au repos. Cette condition implique que la vitesse de la particule est proche de celle de la lumière. La formule du facteur de Lorentz permet de calculer qu'une particule dont l'énergie cinétique est égale à son énergie de masse au repos se déplace à environ 86,6 % de la vitesse de la lumière. De telles particules relativistes sont générées dans les accélérateurs de particules[note 1]. Elles apparaissent aussi produites naturellement dans le rayonnement cosmique[note 2]. En astrophysique, des jets de plasma relativiste sont produits par les centres des galaxies actives et des quasars[4].

Une particule relativiste chargée traversant l'interface entre deux milieux ayant des permittivités diélectriques différentes émet un rayonnement de transition. Ceci est exploité dans les détecteurs de rayonnement de transition de particules de haute énergie[5].

Particules relativistes de bureau[modifier | modifier le code]

Des électrons relativistes peuvent également exister dans certains matériaux à l'état solide[6],[7],[8],[9], y compris les semi-métaux tels que le graphène[6], les isolants topologiques[10], les alliages de bismuth et d'antimoine[11], et les semi-conducteurs tels que les dichalcogénures de métaux de transition[12] et les couches de phosphorène noir[13]. Ces électrons confinés dans le réseau avec des effets relativistes qui peuvent être décrits à l'aide de l'équation de Dirac sont également appelés électrons relativistes de bureau ou électrons de Dirac.

Voir également[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Relativistic particle » (voir la liste des auteurs).
  1. ↑ Par exemple, au Grand collisionneur de hadrons fonctionnant avec une énergie de collision de 13 TeV, un proton relativiste a une énergie de masse 6 927 fois supérieure à sa masse au repos et se déplace à 99,99999896 % de la vitesse de la lumière.
  2. ↑ La particule Oh-My-God en est un exemple.

Références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ J. Gregory Stacy et W. Thomas Vestrand, Encyclopedia of Physical Science and Technology, Third, (ISBN 978-0122274107), « Gamma-Ray Astronomy », p. 397-432
  2. ↑ Enzo, « Mass, Momentum and Kinetic Energy of a Relativistic Particle », European Journal of Physics, vol. 31, no 4,‎ , p. 763–773 (DOI 10.1088/0143-0807/31/4/006, Bibcode 2010EJPh...31..763Z, S2CID 121326562)
  3. ↑ D. McMahon, Quantum Field Theory, Mc Graw Hill (USA), coll. « DeMystified », , 11, 88 (ISBN 978-0-07-154382-8, lire en ligne Accès limité)
  4. ↑ Gibbons, « Relativstic mechanics », Encyclopaedia Britannica (consulté le )
  5. ↑ Yuan, « A novel transition radiation detector utilizing superconducting microspheres for measuring the energy of relativistic high-energy charged particles », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 441, no 3,‎ , p. 479–482 (DOI 10.1016/S0168-9002(99)00979-1, Bibcode 2000NIMPA.441..479Y)
  6. ↑ a et b Novoselov et Geim, « The rise of graphene », Nature Materials, vol. 6, no 3,‎ , p. 183–191 (PMID 17330084, DOI 10.1038/nmat1849, Bibcode 2007NatMa...6..183G, S2CID 14647602)
  7. ↑ Hasan et Kane, « Topological Insulators », Rev. Mod. Phys., vol. 82, no 4,‎ , p. 3045 (DOI 10.1103/revmodphys.82.3045, arXiv 1002.3895, S2CID 260682103)
  8. ↑ (en) « Superconductors: Dirac cones come in pairs », sur wpi-aimr.tohoku.ac.jp, Tohoku University, (consulté le )
  9. ↑ Basic Research Needs for Microelectronics. US Department of Energy, Office of Science, 23–25 October 2018.
  10. ↑ Hsieh, « A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase », Nature, vol. 452, no 7190,‎ , p. 970–974 (PMID 18432240, DOI 10.1038/nature06843, Bibcode 2008Natur.452..970H, arXiv 0902.1356, S2CID 4402113)
  11. ↑ Dirac cones could exist in bismuth–antimony films. Physics World, Institute of Physics, 17 April 2012.
  12. ↑ Diaz, « Direct Observation of Interlayer Hybridization and Dirac Relativistic Carriers in Graphene/MoS2 van der Waals Heterostructures », Nano Letters, vol. 15, no 2,‎ , p. 1135–1140 (PMID 25629211, DOI 10.1021/nl504167y, Bibcode 2015NanoL..15.1135C)
  13. ↑ Francesca, « Evidence of Josephson Coupling in a Few-Layer Black Phosphorus Planar Josephson Junction », ACS Nano, vol. 16, no 3,‎ , p. 3538–3545 (PMID 35099941, PMCID 8945388, DOI 10.1021/acsnano.1c09315)
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