Physique des particules

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Chambre à bulle exposée à l'extérieur d'un bâtiment (probablement utilisée par le Fermilab)(photo du Fermilab) La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisi
Physique des particules

Chambre à bulle exposée à l'extérieur d'un bâtiment (probablement utilisée par le Fermilab)(photo du Fermilab) La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules plus grandes dans les accélérateurs de particules. Le physicien François Vanucci, professeur à l'Université Paris VII, définit la physique des particules comme « une physique de l'extrême, noble, qui touche les limites de la connaissance humaineFrançois Vanucci, entretien avec Géraldine Bordère, La Vie, N° 3228, 12 juillet 2007, pages 26-27 ».

Historique

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite et Épicure. Bien qu'au , Isaac Newton pensait que la matière était composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules. En 1869, le premier tableau périodique de Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalent durant tout le que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons. Au , les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, culminant avec les preuves de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, donna naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or. Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de dispersion : le « zoo de particules ». Cette expression fut désapprouvée après la formulation du modèle standard dans les années 1970, car le grand nombre de particules put être expliqué comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales.

Les grandes dates

- 1873 : Maxwell réalise d'importantes recherches dans trois domaines : la vision de la couleur, la théorie moléculaire et la théorie électromagnétique. Les idées soulignant les théories de Maxwell sur l'électromagnétisme décrivent la propagation des ondes lumineuses dans le vide.
- 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron et estime sa masse.
- 1895 : Röntgen découvre les rayons X.
- 1896 : Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium.
- 1898 : Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs. Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
- 1900 : Planck suggère que les rayonnements sont quantifiables (ils ne peuvent prendre que des valeurs qui sont des multiples d'une valeur élémentaire appelée quantum).
- 1905 : Einstein propose un quantum de lumière (le photon) qui se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte.
- 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité de Rutherford, envoient des particules alpha sur une feuille d'or et observent de grands angles de diffusion, ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense à l'intérieur de l'atome.
- 1911 : Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Geiger et Marsden.
- 1913 : Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
- 1919 : Rutherford prouve l'existence du proton.
- 1921 : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensité maintient le noyau uni.
- 1923 : Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
- 1924 : de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour la matière.
- 1925 : Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
- 1926 : Schrödinger développe la mécanique ondulatoire, qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumière.
- 1927 : Découverte de la désintégration β.
- 1928 : Dirac propose son équation d’onde relativiste pour l’électron.
- 1930 : Pauli suggère l’existence du neutrino.
- 1930 : Particules élémentaires, incluant l'électron, le proton, le neutron (dans le noyau), le neutrino dans la désintégration β, le photon et le quantum de champ électromagnétique.
- 1931 : Découverte du positron e+ (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
- 1932 : James Chadwick découvre le neutron n.
- 1933/34 : Fermi formule sa théorie sur la désintégration β (interaction faible) : ex. n → p + e− + ¯νe.
- 1935 : Yukawa formule son hypothèse sur les mésons : La force nucléaire est due à l’échange de particules massives, les mésons.
- 1937 : Découverte du lepton μ. Interprété initialement à tort comme le méson de Yukawa, le muon s’avère trop « pénétrant ».
- 1938 : Énoncé de la loi de conservation du nombre baryonique.
- 1946/1947 : Découverte du méson chargé π±, le pion (Powell). Le μ est produit par le processus π+ → μ+ + νμ.
- 1946/1950 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
- 1948 : Production artificielle du π+.
- 1949 : Découverte du K+.
- 1950 : Découverte du pion neutre, π0 → γ + γ.
- 1951 : Découverte d'événements en « V ». Particules K0 et Λ ayant une vie moyenne « étrangement » longue et nouveau nombre quantique, l' « étrangeté ».
- 1952 : Découverte du Δ (état excité du nucléon).
- 1954 : Yang et Mills proposent les théories de jauge non-abéliennes.
- 1955 : Découverte de l'antiproton ¯p (Chamberlain et Segrè).
- 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut générer une violation de parité).
- 1956 : Découverte de la violation de parité dans les atomes de 60Co par Wu et Amber.
- 1960/1970 : Découverte de centaines de particules « élémentaires » (ρ, ω, K∗, Δ, Ξ, ...)
- 1961 : Murray Gell-Mann propose la voie octuple SU(3).
- 1962 : Découverte de νμ et νe.
- 1964 : Existence des quarks u, d et s (proposée par Gell-mann et Zweig).
- 1964 : Le quark c est suggéré.
- 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes K0 − ¯K0 par Cronin, Fitch, Christianson et Turlay.
- 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre.
- 1967 : Sheldon Glashow-Salam-Weinberg proposent l’unification des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l’existence du boson de Higgs.
- 1968-1969 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon.
- 1973 : Énoncé de la théorie des interactions fortes entre particules colorées (QCD). Prédiction de l’existence des gluons.
- 1973 : Liberté asymptotique postulée.
- 1974 : Découverte du J/ψ et du quark charmé c, à l'Université Stanford et à Brookhaven.
- 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le τ−.
- 1976 : Découverte du D0 et confirmation de l’existence du quark c.
- 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom b, au Fermilab.
- 1979 : Découverte d’un gluon à DESY.
- 1983 : Découverte du Z0 et du W± au CERN.
- 1990 : Mesure au LEP (CERN) impliquant que le nombre de neutrinos « légers » (m < 45 GeV) est limité à 3.
- 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top t, au Fermilab.
- 1998 : Évidence de neutrinos massifs au Super-Kamiokande.

Classement des particules subatomiques

Introduction

Les particules élémentaires peuvent être classées en différentes sous-catégories en fonction de leur nature.

Leptons, hadrons et quarks

Leptons

Les leptons (ainsi nommés parce que leurs masses étaient relativement petites) sont caractérisés par les propriétés suivantes:
- Ce sont des particules qui n’interagissent pas fortement (aucune interaction forte).
- Elles portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).
- Elles possèdent une charge « faible » et peuvent être regroupés en paires appelées doublets d’interaction faible.
- Obéissant à la statistique de Fermi-Dirac, ce sont des fermions. Les trois familles ou générations de leptons connues sont :
-e νe
-μ νμ
-τ ντ

Hadrons

Les hadrons sont caractérisés par les propriétés suivantes :
- Ce sont des particules qui interagissent fortement (soumises à l’interaction forte « résiduelle »).
- Ils portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).
- Ils ont des interactions faibles.
- Ils sont formés de quarks. Les hadrons ne sont pas des particules fondamentales, mais plutôt des états liés de quarks. On en observe plus de 200. Ils peuvent être classés en deux groupes : les baryons, auxquels on associe un nombre quantique (le nombre baryonique) et les mésons, responsables des interactions fortes entre hadrons. Voici les hadrons les plus fréquemment observés (baryons de spin 1/2, mésons de spin 1/2 et baryons de spin 3/2) : Image:Octet baryons.jpg Image:Octet mesons.jpg Image:Decuplet baryons.jpg
-p : proton
-n : neutron
-π+, π0, π- : pions
-ρ+, ρ0, ρ− : mésons ρ
-Λ : lambda
-K+, K0, ¯K0, K− : mésons K

Quarks

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment la matière nucléaire.
- Ils interagissent fortement (soumis à l’interaction forte)
- Ils portent des charges électriques fractionnaires.
- Ils possèdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible.
- On leur associe aussi une charge colorée (couleur) et forment des triplets d’interaction forte. On compte six types ou saveurs de quarks : up, down, étrange, charmé, bottom (aussi appelé « quark beauté » pour des raisons historiques) et top. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes, sauf pour ce qui est de leurs masses. De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées; il en existe trois de chaque. En 2007, il semble que seuls des arguments de symétrie viennent appuyer cette assertion.

Existence de trois familles

L'ensemble des particules élémentaires peut se décomposer en trois familles (ce nombre de trois est un paramètre fondamental du modèle standard) : Image:Familles particules.jpg

Bosons et fermions

La mécanique quantique introduit la notion de moment cinétique intrinsèque d'une particule, le spin. Il peut prendre des valeurs qui sont des multiples de h/4π. Il détermine également le type de statistique auquel est soumise la particule.
- Bosons : Ce sont des particules de spin entier (0, \hbar , 2\hbar , 3\hbar , ...), qui obéissent à la statistique de Bose-Einstein, c'est-à-dire qu'un système de deux bosons identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est symétrique sous l'échange des particules : \Psi12 \rightarrow \Psi21
- Fermions : Ce sont des particules de spin demi-entier (\hbar/2 , 3\hbar/2 , 5\hbar/2 , ...) qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'un système de deux fermions identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est antisymétrique sous l'échange des particules : \Psi12 \rightarrow -\Psi21

Particules et antiparticules

La notion d'antiparticule fut proposée par Paul Dirac en 1928. Dirac interpréta certaines solutions de l'équation qui porte son nom comme des antiparticules. Les solutions associées peuvent être interprétées comme des particules se propageant à rebours dans le temps ou encore comme des trous dans une mer de particules. Une antiparticule se caractérise par :
- une charge et des nombres quantiques opposés à ceux de la particule associée
- une masse et une durée de vie identiques à celles de la particule correspondante L'existence des antiparticules fut confirmée par Anderson dès 1933 par la découverte du positron (antiparticule de l'électron). Certaines particules, dont toutes les charges sont nulles, comme le photon ou le boson Z0 sont leur propre antiparticule. Par convention, l'antiparticule est désignée par une barre supérieure.

Interactions et champs

La mécanique classique et la théorie quantique des champs ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.
- En mécanique classique, lorsqu'il y a un champ produit par une particule 1 à la position de la particule 2, cette dernière interagit avec la valeur de ce champ.
- En théorie quantique des champs, l'interaction est interprétée comme un échange de quanta. Il obéit aux lois de conservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. Celle-ci obéit à l'équation d'onde dans les limites du principe d'incertitude de Heisenberg : \Delta E . \Delta t > \hbar et \Delta x . \Delta p > \hbar Les états transitoires sont appelés « virtuels », par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que p ≠ 0.

Interaction électromagnétique

L' interaction électromagnétique se caractérise par les propriétés suivantes :
- met en jeu des particules chargées
- constante de couplage \alpha = e / 4 \pi
- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−20 s;
- section efficace typique de ∼ 10−33 m²;
- échange de photons (γ);
- mγ = 0, donc portée R = ∞.

Interaction faible

Les principales manifestations de l'interaction faible sont :
- La désintégration β du neutron, ex. n → p + e− + ¯νe.
- La capture d’antineutrinos, ex. p+ ¯νe → n + e+.
- Les réactions hadroniques pures, ex. la désintégration des Σ, peuvent passer par le mode faible ou le mode électromagnétique, mais les caractéristiques diffèrent suivant le mode de désintégration : int. faibles int. e.m. Σ− → n + π | Σ0 → Λ + γ ΔS = 1 | ΔS τ ' 10−10 s τ ' 10−19 s où ΔS est le changement du nombre quantique d’étrangeté et τ est la vie moyenne ou durée des interactions. Les interactions faibles sont alors caractérisées par les propriétés suivantes:
- met en jeu des neutrinos ou des quarks qui changent de saveur, c’est-à-dire des particules ayant une charge faible;
- couplage faible (entre protons) : αFermi = GF m² p/4π ≈ 10−6;
- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−8 s;
- section efficace de ∼ 10−44 m²;
- échange de bosons W± (courants chargés) et Z0 (courant neutre);
- mW = 80 GeV, donc portée R = 10−18 m. Les interactions électromagnétique et faible (électrofaibles) sont unifiées dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais à basse énergie, la symétrie est brisée et les deux forces semblent distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible gW et l’échange des bosons de jauge W± et Z0. Les réactions faibles sont caractérisées par une amplitude de probabilité de la forme : Amplitude ∝ g²W/(q² − M²W, Z) où q² est le transfert de quadri-impulsion porté dans l’échange du quantum. Dans la limite q² → 0, la théorie de Glashow-Weinberg-Salam se ramène à la théorie des interactions faibles de Fermi (1935), où les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force GF, la constante de Fermi. GF ∼= 10−5 GeV−2. Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la théorie de Fermi d’être renormalisable. C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e. m.).

Interaction électrofaible

L'interaction électrofaible est l'interaction qui unifie l'électromagnétisme et l'interaction faible.

Interaction forte

L' interaction forte est fréquente dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elle implique, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision K− + p → Σ0 dont la durée est d’environ τ= 10−23 s. Les interactions fortes sont caractérisées par les propriétés suivantes:
- met en jeu des particules portant une charge colorée (quarks et/ou gluons);
- couplage très fort : αs ∼ 1;
- temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−23 s;
- section efficace typique de ∼ 10−30 m²;
- échange de gluons;
- confinement des quarks et gluons;
- liberté asymptotique;
- portée effective de R = 10−15 m en raison du confinement.

Interaction gravitationnelle

Il n’existe pas actuellement une théorie de la gravité quantique satisfaisante du point de vue de la phénoménologie bien que la théorie des supercordes soit un bon candidat (la gravitation quantique à boucles cependant ne propose pas d'unifer la gravitation avec les autres interactions du modèle standard). Par contre, une théorie quantique gravitationnelle devrait posséder les caractéristiques suivantes :
- implique tout ce qui possède une énergie-masse et qui modifie la métrique (tenseur énergie-impulsion);
- couplage très faible au niveau subatomique: le couplage typique entre deux protons est αG = GNm²p /4π = 4.6 × 10−40;
- le graviton, boson d’interaction de spin 2 correspond à une fluctuation quantique de la métrique
- masse nulle du graviton, la gravitation ayant une portée infinie.

Tableau récapitulatif

Modèle standard

L'état actuel de la classification des particules élémentaires s'appelle le « modèle standard ». Il décrit les forces fondamentales fortes, faibles, et électromagnétiques en utilisant des bosons médiateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont le photon, les bosons W-, W+ et Z, les gluons et le graviton. Le modèle contient également 24 particules fondamentales, qui sont les constituants de la matière : les quarks et les leptons. Il prévoit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs, mais qui n'a pas encore été observé en 2007.

Principales interactions avec la matière

Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées

Particules légères : électrons, positrons

- Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au-delà de 10 MeV
- Diffusion inélastique avec les atomes (cortège électronique)
- Diffusion élastique avec les noyaux
- Rayonnement Tcherenkov
- Réactions nucléaires

Particules lourdes : muons, protons, alpha, pions

- Diffusion inélastique avec les atomes (type d'interaction dominant);
- Diffusion élastique avec les noyaux : peu d’énergie transférée, car particules plus légères que le noyau;
- Rayonnement Tcherenkov;
- Réactions nucléaires;
- Bremsstrahlung.

Particules non chargées

Photons

Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :
- Effet photoélectrique
- Diffusion Compton
- Production de paires e+ e-
- Réactions nucléaires (faible contribution) La probabilité de produire une interaction est une fonction exponentielle de la distance parcourue. La fraction des photons qui subissent une interaction après avoir traversé une distance x est 1-e-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm-1, qui est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions. L'absorption peut être paramétrée plus généralement par le coefficient d'atténuation massique µ/rho; exprimé en cm²/g et qui est indépendant de la densité du matériau absorbant.

Neutrons

- Diffusion élastique
- Diffusion inélastique
- Capture nucléaire
- Réactions nucléaires : (n, 2n), (n, \alpha ), (n, xn), (n, p)
- Fission nucléaire

Neutrinos

- interactions électrofaibles (création de leptons)

Détection des particules

Les détecteurs de particules portatifs ou de table permettent de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie. C'est le but des accélérateurs de particules. Les principales collaborations internationales sont:
- le CERN, situé sur la frontière franco-suisse, près de Genève. Ses équipements principaux sont le LEP, un grand collisionneur d'électrons et de positrons maintenant démantelé et le LHC, un grand collisionneur d'hadron) en cours de construction.
- le DESY, situé à Hambourg, en Allemagne. Son installation principale est HERA, où l'on provoque des collisions entre des électrons ou des positrons et des protons.
- le SLAC, situé près de Palo Alto, aux États-Unis. Son installation principale est PEP-II (collisions d'électrons et de positrons).
- le Fermilab, situé près de Chicago, aux États-Unis. Son installation principale est le Tevatron (collisions de protons et d'antiprotons).
- Le laboratoire national de Brookhaven, situé à Long Island, aux États-Unis. Son installation principale est le Relativistic Heavy Ion Collider, où l'on étudie des collisions entre des ions lourds tels que des ions d'or et des protons. De nombreux autres accélérateurs de particules existent.

Objections

Au sein même de la physique, il y a des objections à l'approche réductionniste qui tente d'expliquer tout en termes de particules élémentaires et de leurs interactions. Ces objections sont habituellement formulées par les physiciens de l'état solide. Le modèle standard lui-même n'est pas mis en cause, mais ces physiciens considèrent que la vérification et le perfectionnement du modèle n'est pas aussi important que l'étude des propriétés des atomes et des molécules et, particulièrement, de leurs propriétés dans des ensembles statistiquement grands. Ces critiques maintiennent que même une connaissance complète des particules élémentaires ne donne pas la connaissance complète des atomes et des molécules, la plus importante d'un point de vue pratique. Les réductionnistes proclament généralement que tout progrès en sciences a impliqué le réductionnisme dans une certaine mesure.

Voir aussi

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