Particule fondamentale

Particule élémentaire

On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites « élémentaires » en ce qu'elles ne résultent pas de l'interaction d'autres particules plus « petites ». Un atome n'est pas une particule élémentaire car il est constitué d'électrons, de protons et de neutrons. Ces deux derniers, appelés du terme générique nucléons car formant le noyau atomique, ne sont pas non plus élémentaires car ils sont constitués de quarks. En revanche, électrons et quarks sont des particules élémentaires car ils ne sont constituées d'aucune autre particule.

On distingue les particules élémentaires qui ont un spin demi-entier et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et au principe d'exclusion de Pauli, et celles qui ont un spin entier et obéissent à la statistique de Bose-Einstein : les premières sont appelées fermions et constituent la matière baryonique, les secondes sont appelées bosons et constituent les champs de force — on parle plutôt d'interactions — hormis la gravitation, qu'on n'a jamais réussi à intégrer au modèle.

Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en trois générations, c'est-à-dire en trois quadruplets de particules dont les termes correspondants sont de masse croissante d'une génération à la suivante. Seuls les fermions de la première génération (dont la masse est la plus faible) sont couramment observés et constituent la matière que nous connaissons ; les huit autres fermions ne s'observent que dans des conditions particulièrement énergétiques qui ne se rencontrent pas dans notre environnement usuel.

Leptons Quarks Charge électrique 0 –1 e +2/3 e –1/3 e Fermions de génération   νe Neutrino électronique e Électron u Quark up d Quark down Fermions de génération   νµ Neutrino muonique µ Muon c Quark charm s Quark strange Fermions de génération   ντ Neutrino tauique τ Tau t Quark top b Quark bottom   Interactions Faible Électro- magnétique Forte Bosons de jauge   Z0 Boson Z W± Boson W γ Photon g Gluon

Particules élémentaires du modèle standard

Le modèle standard

Article détaillé : Modèle standard (physique des particules).

Les premiers pas dans l'élaboration du modèle standard des particules élémentaires ont été faits en 1960 par le physicien américain Sheldon Glashow, prix Nobel de physique 1979, avec l'unification de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible en une interaction électrofaible au-dessus d'une énergie d'unification de l'ordre de 100 GeV. Puis, en 1967, l'Américain Steven Weinberg et le Pakistanais Abdus Salam ont intégré le mécanisme de Higgs (théorisé en 1964 par Peter Higgs) au modèle élaboré par Glashow pour lui donner sa forme actuelle, qui rend compte de la masse des particules ; ils ont reçu pour cela le prix Nobel de physique 1979, en même temps que Glashow. Enfin, le modèle standard a été finalisé par l'unification de la chromodynamique quantique avec l'interaction électrofaible, afin d'y intégrer l'interaction forte rendant compte notamment de la liberté asymptotique ainsi que du confinement de couleur des quarks en hadrons dont la charge de couleur résultante est toujours « blanche » (d'où le qualificatif chromodynamique appliqué à cette théorie quantique des champs).

D'un point de vue mathématique, les théories quantiques des champs ont été formalisées dans le cadre de théories de jauge à l'aide de groupes de symétrie locale prenant la forme de groupes de Lie complexes sous-tendant chacun les symétries de jauge modélisées. Ainsi :

• l'électrodynamique quantique a permis de décrire l'électromagnétisme dans le cadre d'une théorie de jauge abélienne avec le groupe unitaire U(1),
• l'interaction faible a été décrite avec le groupe spécial unitaire SU(2),
• l'interaction électrofaible l'a été avec le groupe de jauge SU(2)×U(1)
• la chromodynamique quantique (interaction forte) l'a été avec le groupe SU(3)
• enfin, le modèle standard a été élaboré avec le groupe de jauge SU(3)×SU(2)×U(1).

Particules élémentaires du modèle standard

Fermions

Les fermions sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin demi-entier et respectant le principe d'exclusion de Pauli en accord avec le théorème spin-statistique. Il existe douze fermions décrits par le modèle standard.

Leptons

Parmi les douze fermions du modèle standard, six ne sont pas soumis à l'interaction forte et ne connaissent que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les leptons. L'interaction électromagnétique ne concerne que les particules portant une charge électrique, tandis que l'interaction faible agit sur tous les leptons, y compris électriquement neutres.

Charge électrique	0			–1 e   ( e = 1,602176487×10-19 C )
Génération	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)
1ère	Neutrino électronique	νe   /   νe	< 0,0022	Électron	e –   /   e +	511
2ème	Neutrino muonique	νµ   /   νµ	< 170	Muon	µ –   /   µ +	105 700
3ème	Neutrino tauique	ντ   /   ντ	< 15 500	Tau	τ –   /   τ +	1 777 000

Chaque lepton a son antilepton, de même masse, même spin, mais de charge électrique opposée, d'isospin faible opposé ou encore d'hélicité inverse (gauche pour les neutrinos, droite pour les antineutrinos) :

• un antineutrino pour chaque saveur de neutrino
• le positon pour l'électron
• l'antimuon pour le muon
• l'antitau pour le tau

Quarks

Synthèse additive des couleurs primaires.

Parmi les douze fermions du modèle standard, six seulement connaissent l'interaction forte au même titre que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les quarks.

L'interaction forte est responsable du confinement des quarks, à cause duquel il est impossible d'observer une particule élémentaire ou composée dont la charge de couleur résultante n'est pas « blanche ». Il existe en effet trois « couleurs » (appelées conventionnellement rouge, vert, bleu en référence aux couleurs primaires) et trois « anticouleurs » (appelées conventionnellement antirouge, antivert et antibleu) qui obéissent aux règles suivantes, rappelant la synthèse additive des couleurs primaires :

• rouge + vert + bleu = blanc
• rouge + antirouge = blanc
• vert + antivert = blanc
• bleu + antibleu = blanc

Pour cette raison, les « anticouleurs » antirouge, antivert et antibleu sont généralement représentées respectivement en cyan, magenta et jaune.

Tout quark étant porteur d'une de ces trois charges de couleur (il n'existe pas de quark « blanc »), il doit nécessairement entrer en interaction avec ou bien un antiquark porteur de son anticouleur (ce qui donne un méson, qui est un boson composite), ou bien deux autres quarks porteurs des deux autres charges de couleur dont la résultante à trois sera « blanche » (ce qui donne un baryon, qui est un fermion composite) : c'est l'interaction forte.

Charge électrique	+2/3 e			–1/3 e
Génération	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)
1ère	Quark up	u   /   u	1 500 – 3 300	Quark down	d   /   d	3 500 – 6 000
2ème	Quark charm	c   /   c	1 160 000 – 1 340 000	Quark strange	s   /   s	70 000 – 130 000
3ème	Quark top	t   /   t	173 100 000 ± 1 300 000	Quark bottom	b   /   b	4 200 000+170000−70000

Bosons

Les bosons sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin entier et étant régis par la statistique de Bose-Einstein : plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique, contrairement aux fermions.

Bosons de jauge

Douze bosons de jauge sont vecteurs des trois interactions du modèle standard :

• un photon, vecteur de l'interaction électromagnétique
• un boson Z et deux bosons W, vecteurs de l'interaction faible
• huit gluons, vecteurs de l'interaction forte.

Le tableau ci-dessous résume leurs propriétés :

Boson	Symbole	Spin	Charge électrique (e)	Charge de couleur[1]	Masse (keV/c2)	Interaction	Symétrie de jauge
Boson Z	Z	1	0	« 0 »[2]	91 187 600 ± 2 100	Faible	SU(2)
Boson W	W –	1	–1	« 0 »	80 398 000 ± 25 000
	W +		1
Photon	γ	1	0	« 0 »	0	Électromagnétique	U(1)
Gluon	g	1	0	( rg + gr ) / √2	0	Forte	SU(3)
				( rb + br ) / √2
				( gb + bg ) / √2
				i ( gr – rg ) / √2
				i ( br – rb ) / √2
				i ( gb – bg ) / √2
				( rr – bb ) / √2
				( rr + bb – 2gg ) / √6

Chacun de ces bosons est son antiparticule, hormis les bosons W ^– et W ⁺ qui sont antiparticules l'un de l'autre.

Autres bosons

A ces bosons de jauge du modèle standard s'ajoutent :

• le boson de Higgs, qui demeurait inobservé en juin 2009 bien qu'il fasse partie du modèle standard ; le boson de Higgs est responsable de la masse des particules dans ce modèle, mais n'est vecteur d'aucune interaction : ce n'est donc pas un boson de jauge.
• le graviton, introduit par les théories de gravité quantique, qui tentent d'intégrer la gravitation au modèle standard, et qui n'a également jamais été observé ; le graviton ne fait donc pas partie du modèle standard, mais serait un boson de jauge, vecteur de la gravitation.

Les premières particules

Articles détaillés : Neutron, Proton et Électron.

Propriétés principales des premières particules identifiées^[3]

Particule	Masse	Charge électrique
Neutron	1 u.m.a	neutre
Proton	1 u.m.a	e
Électron	1/2000 u.m.a.	-e

L'idée voulant que la matière soit composée de constituants fondamentaux est très vieille. Les Grecs de l'antiquité, dont Démocrite, ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour faire référence à de tels constituants.

On crut déceler au XIXème siècle des éléments indissociables de la matière que l'on nomma donc atomes. Le XXème découvrit que ces "atomes" étaient eux-mêmes composés de plus petites particules : électron(s), proton(s) et neutron(s). Il fut décidé cependant de ne pas changer la terminologie existante et le paradoxe "briser un atome" devint courant. Il fut découvert que ces particules elles-mêmes pouvaient être vues comme assemblages d'objets plus petits, les quarks, assemblés toujours à plusieurs et de façons différentes.

On remarque que les protons et les neutrons ont des masses quasi-identiques. La valeur de l'unité de masse atomique (1 u.m.a.) est égale a 1 gramme divisé par le nombre d'Avogadro, si bien qu'une mole de nucléons pèse un gramme.

Les charges du proton et de l'électron sont exactement opposées, le neutron est exactement neutre électriquement. La charge élémentaire, e, vaut 1,6×10^-19 C.

Les accélérateurs de particules

Article détaillé : Accélérateur de particules.

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 de 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.

L'antimatière

Article détaillé : 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

Article détaillé : Quark.

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

Article détaillé : Lepton.

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 (ν_e), un neutrino muonique (ν_μ) et un neutrino tauonique (ν_τ).

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 ν_e. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et le ν_μ. Les quarks top et bottom, le tauon et le ν_τ 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

Article détaillé : Boson 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.

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

Article détaillé : 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. Le nouvel accélérateur du CERN ( LHC ) à Genève, qui est en fonction depuis le 10 septembre 2008, doit apporter prochainement 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, d'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^re théorie) , 11 (la théorie M), jusqu'à 26 dimensions (dans 2 des 5 théories pré théorie M), rien de moins.

Notes et références

1. ↑ Chaque gluon est par nature porteur d'une des trois couleurs et d'une des trois anticouleurs, ce qui fait 3² = 9 combinaisons possibles, mais, en vertu du principe de superposition quantique, tous ces états sont confondus sur chaque gluon de telle sorte qu'en réalité une infinité de combinaisons est possible, réductible à huit types de gluons indépendants dont la « couleur » résultante est une combinaison complexe de couleurs et anticouleurs.
2. ↑ La charge de couleur n'est pas une valeur numérique, et la couleur « blanche » devrait, en toute rigueur, être représentée par le symbole « 1 » signifiant l'invariance dans le groupe de symétrie considéré.
3. ↑ Les valeurs y sont données avec une précision de 1% pour les masses.

Voir aussi

Articles connexes

• Liste de particules
• Matériau
• Matière
• Tableau périodique des éléments

Liens externes

• Pour une introduction :
  • Voyage vers l'infiniment petit sur le site "Diffusion des savoirs" de l'École normale supérieure.

• Pour des données plus techniques :
  • Site du groupe de données sur les particules (Particle Data Group), collaboration internationale de compilation, d'évaluation et de traitement des données sur les particules. Sites-miroirs à [1] Durham (Royaume-Uni), [2] Gënes (Italie), ou au [3] CERN (Suisse & France)

Bibliographie

• Le charme de la physique, recueil de textes de Sheldon Glashow
• M. Crozon , F. Vannucci , les particules élémentaires , 1993 , PUF , coll.«Que sais-je ?»
• Michel Crozon , L'univers des particules,1999, Seuil ,Points, Science, n° S134
• M. Jacob, Le modèle standard en physique des particules, in pour La Science n° 300 , octobre 2002
• F. Vanucci , Combien de particules dans un petit pois?, 2003 , Editions du Pommier
• F. Vanucci , Le miroir aux neutrinos , 2003, Odile Jacob, coll «Sciences», 256 p.
• Pierre Fayet , Les «sparticules» existent-elles ? , Les dossiers de La Recherche , n° 23 , mai 2006 , pp 72-74
• Jean Iliopoulos , Dépasser le modèle standard , in Pour La Science n° 361 de novembre 2007, pp 90-96

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