Particule élémentaire

Fermions(Statistique de Fermi-Dirac) Leptons Quarks Charge électrique 0 −1e +2/3e −1/3e Fermionsde 1regénération νe Neutrino électronique e Électron u Quark up d Quark down Fermionsde 2egénération νµ Neutrino muonique µ Muon c Quark charm s Quark strange Fermionsde 3egénération ντ Neutrino tauique τ Tau t Quark top b Quark bottom Bosons(Statistique de Bose-Einstein) Interactions Faible Électro- magnétique Forte Bosons de jauge Z0 Boson Z W± Boson W γ Photon g Gluon Champ de Higgs électrofaible H0 Boson de Higgs

Particules élémentairesdumodèle standard

Enphysique des particules,uneparticule élémentaire,ouparticule fondamentale,est une particule dont on ne connaît pas la composition: on ne sait pas si elle est constituée d'autres particules plus petites. Les particules élémentaires incluent lesfermionsfondamentaux (quarks,leptons,et leursantiparticules,les antiquarks et les antileptons) qui composent la matière et l'antimatière,ainsi que desbosons(bosons de jaugeetboson de Higgs) qui sont des vecteurs de forces et jouent un rôle de médiateur dans lesinteractions élémentairesentre les fermions. Une particule qui contient plusieurs particules élémentaires est uneparticule composite.

Lamatièretelle qu'on la connaît est composée d'atomes,que l'on croyait initialement être des particules élémentaires (le mot « atome » signifieinsécableen grec). L'existence même de l'atome a été controversée jusqu'en 1910: les physiciens de l'époque voyaient les molécules comme des illusions mathématiques et la matière uniquement composée d'énergie. Par la suite, les constituants subatomiques ont été identifiés. Au début des années 1930, l'électronet leprotonont été observés, ainsi que lephoton,la particule durayonnement électromagnétique.Au même moment, les avancées récentes de lamécanique quantiqueont radicalement changé notre conception de la particule, puisqu'une particule seule pouvait occuper une partie de l'espacecomme le ferait une onde,un phénomène qui n'est toujours pas explicable à notre échelle, composée d'objets (notamment atomes et molécules) qui ont une localité précise.

Grâce à la théorie quantique, il a été découvert que les protons et les neutrons contenaient desquarks(nommésupetdown), maintenant considérés comme des particules élémentaires. Et à l'intérieur d'unemolécule,les troisdegrés de libertéde l'électron (charge,spinetorbitale)^{[Information douteuse]}peuvent être distingués par lafonction d'ondeen troisquasi-particules(holon,spinonetorbiton). Cependant, un électron libre (qui n'est pas en orbite autour d'unnoyau atomiqueet donc sansmouvement orbital) semble insécable et reste classé comme particule élémentaire.

Les fermions élémentaires ont unspindemi-entier et obéissent à lastatistique de Fermi-Diracet auprincipe d'exclusion de Pauli:ils constituent la matièrebaryonique. Les bosons ont un spin entier et obéissent à lastatistique de Bose-Einstein:ils constituent lesinteractions élémentaires,hormis lagravitationque nous n'avons pas encore réussi à intégrer au modèle standard.

Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en troisgénérations,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 (comme dans unaccélérateur de particules).

Histoire

Propriétés principales des premières particules identifiées

Particule	Masse	Charge électrique
Neutron	1uma	neutre
Proton	1 uma	e
Électron	1/2000 uma	−e

LesGrecs de l'Antiquité,dontDémocrite,ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour nommer les constituants fondamentaux de lamatière.On a découvert auXX^esiècleque les atomes étaient eux-mêmes composés de plus petites particules:électrons,protonsetneutrons(il devenait alors possible de « briser un atome »).

Dans lesannées 1930,les scientifiques pensaient que les électrons, les protons et les neutrons étaient véritablement indivisibles. On les désigna alors comme « particules élémentaires ».

Pour étudier l'interaction des neutrons et des protons dans lenoyau atomique,on les fait entrer en collision dans unaccélérateur de particules.On découvre alors que cesparticules subatomiquessont elles-mêmes composées d'objets plus petits, lesquarks.Les protons et les neutrons sont composés chacun de trois quarks. 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 lemodèle standard,proton et neutron n'ont pas deformeà proprement parler.

Jusqu'ici, aucune sous-structure n'a été découverte aux quarks ni aux électrons. Ce sont donc les nouvelles particules élémentaires.

L'observation des collisions de particules, composites et souvent instables, a permis aux physiciens de déduire l'existence de nouvelles particules élémentaires. La description des composants de base de la nature et de leurs interactions est décrite dans la théorie physique appelée le «modèle standard» des particules.

Particules élémentaires du modèle standard

Classification des particules élémentaires

Les premiers pas dans l'élaboration du modèle standard des particules élémentaires ont été faits en 1960 par le physicien américainSheldon Glashow,prix Nobel de physique1979, avec l'unification de l'interaction électromagnétiqueet de l'interaction faibleen uneinteraction électrofaibleau-dessus d'une énergie d'unification de l'ordre de100GeV.Puis, en 1967, l'AméricainSteven Weinberget le PakistanaisAbdus Salamont intégré lemécanisme de Higgs(théorisé en 1964 parPeter 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 lachromodynamique quantiqueavec l'interaction électrofaible, afin d'y intégrer l'interaction forterendant compte notamment de laliberté asymptotiqueainsi que duconfinement de couleurdesquarksenhadronsdont lacharge de couleurrésultante est toujours « blanche » (d'où le qualificatif chromodynamique appliqué à cettethéorie quantique des champs).

Fermions

Lesfermionssont décrits par lemodèle standardcomme ayant unspindemi-entieret respectant leprincipe d'exclusion de Paulien accord avec lethéorème spin-statistique.Il existe douze fermions décrits par le modèle standard.

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 quarksupetdown,l'électron et le neutrino électronique (ν_e). Dans la deuxième famille, on trouve les quarkscharmetstrangeainsi que le muon et le neutrino muonique (ν_μ). Les quarkstopetbottom,le tauon et le neutrino tauique (ν_τ) forment la troisième famille.

Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules: les fermions forment la matière.

Leptons

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

Il y a six sortes, ousaveursde 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 lemuon(μ) et letau(τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont lesneutrinos(ν, lettre grecque prononcée "nu" ). 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 parWolfgang Paulien1932,mais ce n'est qu'en1956qu'il fut découvert. Entre-temps, le muon fut observé (en1936) dans les réactions entre l'atmosphère et lesrayons 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. Ainsi, des milliards de neutrinos solaires traversent notre corps à chaque seconde, mais n'interagissent aucunement avec lui.

Charge électrique	0			−1e(e= 1,602176487×10−19C)
Génération	Particule	Symbole/ antiparticule	Masse (keV/c2)	Particule	Symbole/ antiparticule	Masse (keV/c2)
1re	Neutrino électronique	νe/νe	< 0,002 2	Électron	e−/ e+	511
2e	Neutrino muonique	νµ/νµ	< 170	Muon	µ−/ µ+	105 700
3e	Neutrino tauique	ντ/ντ	< 15 500	Tau	τ−/ τ+	1 777 000

Chaqueleptona sonantilepton,de même masse, même spin, mais decharge électriqueopposée, d'isospin faibleopposé ou encore d'hélicitéinverse (gauche pour lesneutrinos,droite pour lesantineutrinos):

• unantineutrinopour chaquesaveurdeneutrino
• lepositronpour l'électron
• l'antimuonpour lemuon
• l'antitaupour letau

Quarks

Parmi les douze fermions du modèle standard, six seulement connaissent l'interaction forteau même titre que l'interaction faibleet l'interaction électromagnétique:ce sont lesquarks.

En 1964,Murray Gell-MannetGeorge Zweigdécouvrirent 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 parJames Joycedans son romanFinnegans 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 ousaveursde quarks. Ils furent baptisés, par ordre de masses croissantes:up, down, strange, charm, bottomettop.De plus, pour chacun de ces quarks, il y a un antiquark correspondant.

Les quarks ont la propriété d'avoir une charge électrique fractionnaire. Cette charge est de 2/3 pour les quarksup, charmettopet de −1/3 pour les quarksdown, strangeetbottom.

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 appeléeshadrons.Par exemple, le proton est un hadron composé de deux quarksupet d'un quarkdown.Quant au neutron, il est formé de deux quarksdownet d'un quarkup.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 appeléeshadrons.Elles se répartissent en deux classes:

• lesbaryons,formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p) ou de trois antiquarks: l'antiproton et l'antineutron. Ils sont caractérisés par unnombre quantiqueappelécharge baryonique.
• lesmésons,formés d'un quark et d'un antiquark.

Synthèse additivedescouleurs primaires.

L'interaction forte est responsable duconfinement des quarks,à cause duquel il est impossible d'observer une particule élémentaire ou composée dont lacharge de couleurrésultante n'est pas « blanche ». Il existe en effet trois « couleurs » (appelées conventionnellementrouge,vert,bleuen référence auxcouleurs primaires) et trois « anticouleurs » (appelées conventionnellementantirouge,antivertetantibleu), qui obéissent aux règles suivantes, rappelant lasynthèse additivedes couleurs primaires:

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

Les « anticouleurs »antirouge,antivert;antibleusont généralement représentées respectivement encyan,magentaetjaune.

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 unantiquarkporteur de son anticouleur (ce qui donne unméson,qui est donc unbosoncomposite), ou bien avec deux autres quarks, portant deux charges de couleur, avec une résultante « blanche » (ce qui donne unbaryon,qui est un fermion composite).

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

Bosons

Lesbosonssont décrits par lemodèle standardcomme ayant unspinentier et étant régis par lastatistique de Bose-Einstein:plusieurs bosons proches peuvent occuper le mêmeétat quantique,contrairement auxfermions.

Bosons de jauge

« Comment ces particules tiennent-elles ensemble? » La réponse résulte dans l'interaction des quatreforces physiques:lagravité,laforce nucléaire forte,laforce nucléaire faibleet laforce électromagnétique.Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange debosons 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: lephoton,8gluonset 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence dugravitonqui n'a pas encore été observé. Chaque boson de jauge est associé à une force:

• le photon transmet la force électromagnétique,
• les gluons, qui transmettent la force nucléaire forte,
• les bosons faibles, qui transmettent la force nucléaire faible,

Le rôle du graviton (non détecté) serait de transmettre la force gravitationnelle. Mais le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est simplement soupçonnée, aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Les douzebosons de jaugesont vecteurs des trois interactions du modèle standard:

• lephotonest vecteur de l'interaction électromagnétique,
• leboson Zet les deuxbosons Wsont vecteurs de l'interaction faible,
• les huitgluonssont vecteurs de l'interaction forte.

Le tableau ci-dessous résume leurs propriétés:

Boson	Symbole	Spin	Charge électrique	Charge de couleur	Masse(keV/c2)	Interaction	Symétrie de jauge
Photon	γ	1	0	« 0 »	0	Électromagnétique	U(1)
Boson Z	Z	1	0	« 0 »	91 187 600 ± 2 100	Faible	SU(2)
Boson W	W−	1	−1	« 0 »	80 398 000 ± 25 000
	W+		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.

Boson de Higgs

Le modèle standard implique l'existence duboson de Higgs,permettant aux autres particules d'acquérir leurmasse.

À l'origine, dans lemodèle standard de la physique des particules,toutes les particules élémentaires auraient dû avoir une masse nulle, ce qui n'est pas conforme à l'observation: les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de plusieurs particules avec de bonnes précisions. Seuls lephotonet lesgluonsseraient de masse nulle.

Pour corriger le modèle,Peter Higgsa proposé, vers la fin desannées 1960,d'y ajouter une autre particule: unbosonconférant les masses à toutes les autres particules. L'idée de base était que les particules acquièrent une masse en interagissant avec lechamp de Higgsporté par ce boson de Higgs. Ce mécanisme est maintenant considéré comme une partie essentielle du modèle standard.

Le boson de Higgs n'avait encore jamais été détecté. Sa traque depuis le début duXXI^esiècle était l'un des principaux défis actuels de laphysique des particules.LeLarge Hadron Collider(LHC) européen, en fonction depuis le10 septembre 2008,fut conçu largement pour pouvoir apporter une réponse sur l'existence du boson de Higgs.

Le4 juillet 2012,le CERN a mis au jour grâce au LHC un boson présentant pour la première fois les caractéristiques attendues du Higgs dans un domaine de l'ordre de 125 GeV (correspondant à environ 133 fois la masse du proton) avec 99,9999 % de certitude. La confirmation définitive de cette découverte est attendue dans quelques années pour respecter tous les critères généralement admis en physique des particules.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.

Graviton

Legravitona été introduit par les théories degravité quantiquepour tenter d'intégrer lagravitationau modèle standard, et n'a jamais été observé; le graviton ne fait donc pas partie du modèle standard, mais serait un boson de jauge, vecteur de la gravitation.

Antimatière

À chaque particule correspond une antiparticule — c'est lasymétrie C.Une particule est semblable à son antiparticule, avec des changements de signe. Lacharge électriqueest opposée, c'est ce qui définit l'antiparticule. La masse est en revanche identique.

Une particule de charge nulle peut d'ailleurs être sa propre antiparticule; c'est le cas duphoton.

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 duCERN.

Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment enénergie.Les collisions entre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie et sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs.

On appelle antimatière l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière ordinaire.

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'unpositron(anti-électron) produit par la rencontre entre unrayon cosmiqueet un noyau atomique de l'atmosphère.

Au-delà du modèle standard

Lemodèle standardest une théorie validée par maintes expériences, toutes les particules postulées ont été trouvées.

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-elle être incluse dans le modèle? Les quarks et les leptons sont-ils réellement fondamentaux ou ont-ils une sous-structure (au-delà des 10⁻¹⁸mètres)? Quelles sont les particules qui forment lamatière sombredans 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 diteTerascale). Aussi, plusieurs théoriciens rêvent d'une nouvelle etultime théoriepouvant unifier tous les phénomènes physiques. Plusieurs voient la solution dans lathéorie des cordesqui stipule que toutes les particules élémentaires sont des modes de vibration d'une corde fondamentale. Cette corde existerait en 10 (1^rethéorie), 11 (lathéorie M), jusqu'à 26 dimensions (dans 2 des 5 théories pré théorie M).

Notes et références

(en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«Elementary particle»(voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Articles connexes

• Liste de particules
• Tableau périodique des éléments

Liens externes

Pour une introduction:

• Voyage vers l'infiniment petitsur le site "Diffusion des savoirs" de l'École normale supérieure.
• Simulation naïve (en mécanique classique) d'interaction entre quarks dans le proton et le méson, et de l'interaction entre quarks (y compris l'annihilation) et entre électrons et quarks. A l'usage des non spécialistes. Université Paris XI

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]Gênes (Italie), ou au[3]CERN (Suisse & France)

Radio

• «Particules élémentaires: la famille s’agrandit»,La Méthode scientifique,France Culture9 juin 2020.

Bibliographie

• Le charme de la physique,recueil de textes deSheldon 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^oS134
• M. Jacob,Le modèle standard en physique des particules,in pour La Sciencen^o300,octobre 2002
• F. Vanucci,Combien de particules dans un petit pois?,2003, Éditions 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^o23,mai 2006,pp 72-74
• Jean Iliopoulos,Dépasser le modèle standard,in Pour La Sciencen^o361 denovembre 2007,pp 90-96