Particule élémentaire

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représentation animée d'un Proton. représentation animée d'un Neutron Le modèle standard de la physique, universellement admis et très précisément vérifié par l'expérience, postule que l'univers est un gigantesque jeu de construction. Chaque objet est composé d'un assemblage de quelques blocs fondamentaux : les particules élémentaires. L'idée voulant que la matière soit composée de constituants fondamentaux est très vieille. Les Grecs de l'antiquité ont introd
Particule élémentaire

représentation animée d'un Proton. représentation animée d'un Neutron Le modèle standard de la physique, universellement admis et très précisément vérifié par l'expérience, postule que l'univers est un gigantesque jeu de construction. Chaque objet est composé d'un assemblage de quelques blocs fondamentaux : les particules élémentaires. L'idée voulant que la matière soit composée de constituants fondamentaux est très vieille. Les Grecs de l'antiquité ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour faire référence à de tels constituants. Nous savons maintenant que la matière est composée d'objets appelés atomes. Ceux-ci furent originellement envisagés comme étant indivisibles, c'est-à-dire comme la plus petite particule qui soit. Cependant, il fut découvert que l'atome était composé de plus petites particules : l'électron, le proton et le neutron. Plus tard, encore, il fut découvert que ces deux derniers ne sont eux-mêmes que des assemblages de particules encore plus petites, les quarks. Cet article passe en revue ces particules ainsi que les autres qu'il est nécessaire d'introduire pour décrire précisément leurs interactions.

Les accélérateurs

Dans les années 1930, les scientifiques pensaient que les électrons, les protons et les neutrons étaient les plus petits objets en quoi la matière pouvait être divisée. On les désigna comme des « particules élémentaires » pensant qu'ils étaient indivisibles ; les nouveaux « atomes » selon le terme originel. Pour étudier l'interaction des neutrons et des protons dans le noyau de l'atome, les physiciens construisirent des accélérateurs de particules. Dans un accélérateur, des particules sont accélérées par des champs électriques dans le but de les faire entrer en collision. L'énergie de ces collisions produit toutes sortes de particules qui sont ensuite détectées. À l'aide des accélérateurs, il fallut quelques décennies pour réaliser qu'il y avait encore un autre niveau de structure à l'intérieur des protons et des neutrons. Ceux-ci étaient composés de sous-particules qu'on baptisa quarks. Les protons et les neutrons sont construits à partir de trois quarks chacun. Ces particules composites sont presque toujours représentées sous une forme parfaitement sphérique mais cette dernière représente seulement la région de l'espace au delà de laquelle la nature composite ces particules devient visible. Dans le modèle standard, proton et neutron n'ont pas de forme à proprement parler. Jusqu'à maintenant, aucune sous-structure n'a été découverte aux quarks et aux électrons. Ce sont donc les nouvelles particules élémentaires. Mais l'histoire ne s'arrête pas à ces quarks et aux électrons. L'observation de plusieurs centaines de particules différentes, composites et souvent instables, a permis aux physiciens de déduire l'existence d'un certain nombre d'autres particules élémentaires. La description des composants de base de la nature et de leurs interactions se trouve résumée dans une théorie physique appelée le « modèle standard » des particules.

Le modèle standard

Ce modèle standard explique de quoi la matière est faite et comment ses constituants interagissent. Dans le modèle standard, il existe trois grandes catégories de particules élémentaires : les quarks, les leptons et les bosons de jauge. Toutes les particules connues sont composées de quarks et de leptons (collectivement nommés fermions), et elles interagissent en échangeant des bosons de jauge. Ainsi, toute la matière de l'Univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par les organismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Mais ce n'est pas là toute l'histoire. Les quarks ont des propriétés bien différentes des leptons ; et de plus, pour chaque sorte de particule, il existe une particule d'antimatière correspondante. Tableau des particules élémentaires dans le cadre du modèle standard

L'antimatière

Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule — c’est ce qu’on appelle la symétrie. Les antiparticules sont en tous points semblables aux particules correspondantes – excepté que toutes leurs caractéristiques - sauf la masse - ont un signe opposé, comme la charge. Par exemple, un proton est chargé positivement alors qu'un antiproton est chargé négativement. En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créer des anti-atomes. D'ailleurs, les physiciens se sont déjà appliqués à construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50 000 atomes) dans les laboratoires du CERN. Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions entre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie et sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs. L'antimatière a une durée de vie très courte dans notre environnement :à moins qu'elle ne soit isolée par des champs magnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihile alors. La première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un positron (anti-électron) produit par la rencontre entre un rayon cosmique et un noyau atomique de l'atmosphère.

Les quarks

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centaines de particules pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement trois éléments. Gell-Mann choisit le nom « quarks » pour désigner ces éléments. Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegans Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques). Ce n'est qu'au début des années 70 que la réalité physique de ces quarks fut prouvée, et qu'ils accédèrent au rang de particules. Nous savons maintenant qu'il y a six sortes ou saveurs de quarks. Ils furent joliment baptisés, par ordre de masses croissantes : up, down, strange, charm, bottom et top. De plus, pour chacun de ces quarks, il y a un antiquark correspondant. Les quarks ont l'étrange propriété d'avoir une charge électrique fractionnaire. Cette charge est de 2/3 pour les quarks up, charm et top et de –1/3 pour les quarks down, strange et bottom. Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent en paquets de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Par exemple, le proton est un hadron composé de deux quarks up et d'un quark down. Quant au neutron, il est formé de deux quarks down et d'un quark up. Cette propriété fait que les particules observées à l'état libre ont toutes une charge électrique entière ou nulle. Les particules formées de quarks et d'antiquarks sont appelées hadrons. Elles se répartissent en deux classes :
- les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p),
- les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark.

Les leptons

Les autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes, ou saveurs de leptons, dont trois ont une charge électrique négative et trois sont neutres. Mais, à la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. On ne sait pas en 2007 si des liens fondamentaux relient les 6 saveurs de leptons et celles de quarks. Le lepton le plus connu est l'électron (e ). Les deux autres leptons chargés sont le muon (μ) et le tau (τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos (ν). Il y a une saveur de neutrino associée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique (νe ), un neutrino muonique (νμ ) et un neutrino tauonique (ντ ). L'existence du neutrino électronique fut prédite par Wolfgang Pauli en 1932, mais ce n'est qu'en 1956 qu'il fut découvert. Entre temps, le muon fut observé (en 1936) dans les réactions entre l'atmosphère et les rayons cosmiques. Rien ne laissait présager son existence, à ce point qu'Isidor Isaac Rabi, un physicien des particules, accueillit la nouvelle en demandant : « Mais qui a commandé ce truc-là ? ». La surprise fit place à une recherche plus approfondie qui allait mener à la découverte des autres leptons. Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ils n'interagissent presque pas avec la matière. Il faut construire des observatoires souterrains, loin de toute perturbation, pour pouvoir détecter quelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleil émet une énorme quantité de neutrinos. Des milliards de neutrinos solaires traversent votre corps à chaque seconde !

Les trois familles de particules élémentaires

Toutes les particules élémentaires que nous avons vues jusqu'à maintenant sont appelées fermions. Les chercheurs ont réalisé que les fermions élémentaires pouvaient être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks, un lepton chargé et son neutrino. D'une famille à l'autre, les propriétés des particules sont semblables, à l'exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille. La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l'électron et le νe. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et le νμ. Les quarks top et bottom, le tauon et le ντ forment la troisième famille. Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules.

Les bosons de jauge

« Comment tiennent-elles ensemble ? » La réponse résulte dans l'interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange de bosons de jauge, l'autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des « particules de rayonnement ». Il y a 12 bosons de jauge dans le modèle standard : le photon, 8 gluons et 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence du graviton qui n'a pas encore été observé. Chaque boson de jauge est associé à une force :
- le photon transmet la force électromagnétique,
- les gluons transmettent la force nucléaire forte,
- les bosons faibles transmettent la force nucléaire faible,
- le rôle du graviton est de transmettre la force gravitationnelle. Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Le boson de Higgs

Le modèle standard prédit l'existence d'une particule très spéciale : le boson de Higgs. À l'origine, la théorie du modèle standard considérait que toutes les particules élémentaires avaient une masse nulle. C'était évidemment non conforme à la réalité. Les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de plusieurs particules avec de bonnes précisions. Seuls le photon, les gluons et le graviton seraient de masse nulle. Pour corriger le modèle, Peter Higgs proposa, vers la fin des années 1960, d'y ajouter une autre particule : un boson conférant les masses à toutes les autres particules. L'idée de base est que les particules acquièrent une masse en interagissant avec un champ omniprésent (le champ de Higgs) porté par ce fameux boson de Higgs. Ce mécanisme est maintenant considéré comme une partie essentielle du modèle standard et l'existence du boson de Higgs est capitale pour les théoriciens. D'ailleurs, le physicien Leon Lederman l'a surnommé « the God particule » (la particule Dieu). Il n'y a qu'un seul problème : le boson de Higgs n'a encore jamais été détecté. La détection du boson de Higgs est Le défi actuel de la physique des particules. Si aucun laboratoire n'y parvient d'ici 2007, le nouvel accélérateur du CERN ( LHC ) à Genève, qui sera en fonction à cette date, devrait apporter une réponse définitive sur l'existence du boson de Higgs.

Au-delà du modèle standard

Le modèle standard est une bonne théorie. Maintes expériences ont validé ses prédictions avec d'incroyables précisions et toutes les particules postulées ont été trouvées.Une théorie, après le philosophe Karl Popper, est considérée comme valide tant qu'elle n'a pas été réfutée. Le modèle standard résiste à toutes les réfutations expérimentales. Cependant, cette théorie n'explique pas tout et plusieurs questions restent sans réponse. Par exemple : Pourquoi y a-t-il exactement 12 fermions et 4 forces ? Comment la gravitation peut être incluse dans le modèle ? Les quarks et les leptons sont-ils réellement fondamentaux ou ont-ils une sous-structure ( au delà des 10-18 mètres ) ? Quelles sont les particules qui forment la matière sombre dans l'Univers ? Pour répondre à ces questions, les physiciens comptent sur la construction de nouveaux accélérateurs de particules pouvant sonder des énergies de plus en plus grandes ( physique dite Terascale ). Aussi, plusieurs théoriciens rêvent d'une nouvelle et ultime théorie pouvant unifier tous les phénomènes physiques. Plusieurs voient la solution dans la théorie des cordes qui stipule que toutes les particules élémentaires sont des modes de vibration d'une corde fondamentale. Cette corde existerait en 10 (1 théorie ) , 11 ( la théorie M) , jusqu'a 26 dimensions ( dans 2 des 5 théories pré théorie M) rien de moins.

Voir aussi

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