Spécialité Physique des Particules

Bienvenue sur la page du Master de Physique des Particules de l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand qui constitue une spécialité du Master Sciences de la Matière.
Vous voulez comprendre les lois qui régissent l’Univers à toutes les échelles : des particules élémentaires jusqu’au Cosmos ? Notre formation vous offre dès la première année une spécialisation en physique des particules.
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Programme de 1ère année (M1)

Deux filières possibles avec 5 ECTS par Unité d’enseignement (U.E.)

- PHYSIQUE
- PHYSIQUE-CHIMIE

Introduction à la physique subatomique (50h – 5 ECTS)

• Cours 1 : Mécanique quantique relativiste (25h) • Cours 2 : Théorie des collisions et désintégrations (15h) • Cours 3 : Mesure du temps de vie du muon (10h)

Physique des particules expérimentales (50h – 5 ECTS)

• Cours 1 : Physique des détecteurs (25h) • Cours 2 : Physique des réacteurs et introduction à la neutronique (25h)

Stage d’initiation à la recherche (2.5 mois – 5 ECTS)

Le stage s’effectue dans un laboratoire de recherche (français ou étranger) ou dans l’industrie.


Programme de 2ème année (M2)

Management, communication, environnement scientifique (40h – 5 ECTS)

Enseignants : JP Marchadier, N. Arrivé, F. Clammens-Nanni et P. Marion

Plan du cours :

  • Management : conduite de projet, gestion de groupe
  • Communication : prospection professionnelle, communication orale
  • Environnement Scientifique : propriété intellectuelle, cycle de conférences

Méthodes expérimentales (2 x 25h – 5 ECTS)

• Cour 1 : Analyse et traitement statistique des données (25h)

Enseignants : Pascal Gay

Plan du cours :

  • Notions de probabilité
  • Théorèmes généraux
  • Caractéristiques des distributions de probabilités usuelles
  • Théorème central Limite
  • Intégration par méthode de Monte-Carlo
  • Estimation de paramètres – Méthode du maximum de vraisemblance
  • Méthode des moindres carrés et des moments
  • Test d’hypothèses
  • Analyse discriminante

• Cours 2 : Projet d’instrumentation (25h)

Enseignants : Emmanuel Busato, David Calvet, Valentin Niess et Régis Lefèvre

Plan du cours :

  • Mise en œuvre de détecteurs de particules (compteurs proportionnels, scintillateurs, imageurs Cerenkov )
  • Contrôle et Acquisition de données (VME, Labview), progammes (C++) de simulation (GEANT4) et d’analyses de données (Root).

Détection de particules (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Emmanuel Busato

Plan du cours :

  • Interaction des particules chargées et des photons
  • Caractéristiques générales d’un détecteur
  • Détecteurs à ionisation
  • Détecteurs à semi-conducteurs
  • Scintillateurs
  • Spectroscopie gamma
  • Détecteurs Cherenkov
  • Calorimétrie
  • Trajectographie

Symétries en physique (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Vincent Morenas

Plan du cours :

  • Introduction aux symétries en mécanique classique et quantique : contraintes sur les lois physiques et grandeurs conservées
  • Théorème de Noether
  • Outils mathématiques : théorie des groupes et de la représentation (groupes finis, groupes de Lie, représentations réductibles et irréductibles, lemmes de Schur, critères de recherche des représentations irréductibles, classification de Cartan, poids, décomposition à la Clebsch-Gordan)
  • Applications physiques en mécanique quantique
  • Théorème de Wigner
  • Structures cristallines
  • Molécules (orbitales, vibration…)
  • Règles de sélection atomique
  • Multiplets de particules
  • Atome d’hydrogène

Champs et particules (2 x 25h – 5 ECTS)

• Cours 1 : Théorie des champs relativistes (25h)

Enseignants : Jean Orloff

Plan du cours :

  • Introduction et rappels : groupe de Poincaré et nécessité d’une seconde quantification
  • Champs scalaires libres : quantification
  • Densités lagrangiennes et hamiltoniennes ; théorème de Noether
  • Propagateurs : sources statiques et action à distance, sources dynamiques et particules
  • Diagrammes : interprétation classique des arbres ; interprétation hamiltonienne en amplitude pour des particules libres ; règles de Feynman ; application à la diffusion pion-pion
  • Matrice S : amplitudes de probabilité et sections efficaces ; vecteurs de polarisation et matrice densité ; particules instables et unitarité
  • Extensions aux fermions et aux bosons vecteurs
  • Exemples d’applications

• Cours 2 : Théorie de jauge et renormalisation (25h)

Enseignants : Nazila Mahmoudi

Plan du cours :

  • Théorème de Noether et symétries locales
  • Théorie de jauge abélienne et QED
  • Exemple de réaction en QED
  • Théorie de jauge non-abéliennes et QCD
  • Corrections aux propagateurs et renormalisation, équations du groupe de renormalisation

Interaction électrofaible (30h – 5 ECTS)

Enseignants : Stéphane Monteil

Plan du cours :

  • Particules et interactions élémentaires
  • Modèle de Fermi de l’interaction faible
  • L’unification électrofaible – La brisure de la symétrie électrofaible
  • Mesures de précision et corrections radiatives
  • Physique des saveurs et paradigme de Kobayashi et Maskawa.

Interaction forte et matière hadronique (30h – 5 ECTS)

Enseignants : Julien Donini et Philippe Rosnet

Plan du cours :

  • Modèle des quarks et groupe SU(3) de saveur
  • Les hadrons et leurs désintégrations
  • Introduction de la couleur
  • Lagrangien de QCD, constante de couplage et liberté asymptotique
  • Les outils d’étude de la structure des hadrons : diffusion élastique de leptons et facteurs de forme, diffusion inélastique de leptons et le modèle des partons
  • Potentiel quark-quark et confinement
  • Diagramme de phase de QCD et plasma de quarks-gluons
  • Collisions proton-proton, modèle de Glauber et collisions d’ions lourds

Unités d‘enseignements optionnelles : deux à choisir parmi quatre

Relativité générale (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Jean Orloff

Plan du cours :

  • Rappels de relativité restreinte : transformation de Lorentz, formalisme covariant, dilatation du temps, contraction des longueurs
  • Formalisme des espaces courbes de Riemann (tenseur métrique, connexion affine, tenseur de Riemann, transport parallèle), principe d’équivalence, équations d’Einstein, lagrangien de Hilbert
  • Dimensions supplémentaires compacte et échelle de Planck effective
  • Solutions particulières et horizons : métrique de Schwarzschild et température des trous noirs ; métrique de Robertson-Walker, problème de l’horizon et inflation

Astroparticules et cosmologie (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Cristina Carloganu et Emmanuel Gangler

Plan du cours :

  • Rayons cosmiques chargés et neutres –* Sources – Mécanismes d’accélération – Techniques de détection
  • Astronomie multi-messager (photons, neutrinos, protons)
  • Problématique de la matière noire
  • Recherches directes et indirectes de matière noire.
  • Métrique de Robertson-Walker, équations de Friedmann-Lemaître, observables de l’expansion, constituants de l’Univers
  • Thermodynamique de l’univers primordial, nucléosynthèse, découplage
  • Fonds diffus cosmologique, croissance des structures

Interaction lumière-matière – cours fondamental de la spécialité Nanostructures et Nanophotonique (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Joël Leymarie et Martine Mihailovic

Plan du cours :

  • Présentation des processus optiques ; absorption, diffusions Rayleigh, Brillouin, Raman
  • Etats électroniques dans les solides : structure de bandes
  • Modèle classique de la constante diélectrique : Lorentz et Drude
  • Relations de Kramers-Kronig pour un système linéaire et causal
  • Approximation dipolaire électrique ; absorption induite, émissions stimulée et spontanée. Règle d’or de Fermi. Transitions interbandes dans les solides. Application au calcul de la structure de la constante diélectrique aux points critiques
  • Les excitons dans le formalisme de la fonction enveloppe
  • Formalisme de la matrice densité
  • Equations de Bloch optiques ; Oscillations de Rabi
  • Susceptibilité linéaire optique par la matrice densité
  • Présentation des techniques de réflectivité
  • Ellipsométrie
  • photoluminescence (PL) et absorption optique détectée thermiquement (AODT) : dispositifs expérimentaux et outils de l’analyse des spectres obtenus

Applications médicales des rayonnements – cours fondamental du Master Physique et Technologie des Rayonnements (25h – 5 ECTS)

Enseignants : Denise Donnarieix et Lydia Maigne

Plan du cours :

  • Production et utilisation des radiations ionisantes, effets biologiques des radiations ionisantes, faibles doses
  • Utilisation médicale des radiations ionisantes en source externe, en source interne
  • Place et développement par rapport aux autres méthodes
  • Principes d’imagerie médicale (scintigraphie, TEP, IRM,…), imagerie fonctionnelle en médecine nucléaire

Stage de recherche (5 mois – 15 ECTS)

Le stage s’effectue dans un laboratoire dépendant d’un organisme de recherche français (Université, CNRS, CEA…) ou étranger (CERN…).