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Physique des particules



Physique des particules : encyclopédie physique

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La physique des particules ou la physique subatomique est la branche de la physique qui Ă©tudie les constituants Ă©lĂ©mentaires de la matiĂšre et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes Ă©nergies car de nombreuses particules Ă©lĂ©mentaires, instables, n'existent pas Ă  l'Ă©tat naturel et peuvent seulement ĂȘtre dĂ©tectĂ©es lors de collisions Ă  hautes Ă©nergies entre particules stables dans les accĂ©lĂ©rateurs de particules.

Historique[modifier | modifier le code]

L'idĂ©e que la matiĂšre se compose de particules Ă©lĂ©mentaires date au moins du VIe siĂšcle av. J.-C.. À l'Ă©poque, elle reposait au fond sur l'incapacitĂ© Ă  maĂźtriser la notion de continu : voir les paradoxes de ZĂ©non d'ÉlĂ©e.

La doctrine philosophique de l'atomisme a Ă©tĂ© Ă©tudiĂ©e par les philosophes grecs, tels que Leucippe, DĂ©mocrite et Épicure. Bien qu'au XVIIe siĂšcle, Isaac Newton ait pensĂ© que la matiĂšre soit composĂ©e de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, Ă©nonça formellement que tout est constituĂ© d'atomes minuscules. Cette hypothĂšse ne devint rĂ©ellement scientifique qu'Ă  partir du moment oĂč l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)

En 1869, le premier tableau pĂ©riodique de MendeleĂŻev permit d'affermir le point de vue prĂ©valant durant tout le XIXe siĂšcle que la matiĂšre Ă©tait faite d'atomes. Les travaux de Thomson Ă©tablirent que les atomes sont composĂ©s d'Ă©lectrons lĂ©gers et de protons massifs. Rutherford Ă©tablit que les protons sont concentrĂ©s dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau Ă©tait seulement constituĂ© de protons et d'Ă©lectrons confinĂ©s (afin d'expliquer la diffĂ©rence entre la charge et le nombre de masse), mais ultĂ©rieurement il s'avĂ©ra qu'il Ă©tait constituĂ© de protons et de neutrons.

Au XXe siĂšcle, les progrĂšs de la physique nuclĂ©aire et de la physique quantique, avec les preuves spectaculaires de la fission nuclĂ©aire et de la fusion nuclĂ©aire, donnĂšrent naissance Ă  une industrie capable de produire un atome Ă  partir d'un autre, rendant mĂȘme possible (mais non rentable Ă©conomiquement) la transmutation de plomb en or.

Tout au long des annĂ©es 1950 et des annĂ©es 1960, une variĂ©tĂ© ahurissante de particules a Ă©tĂ© trouvĂ©e lors d'expĂ©riences de collision : un « zoo de particules ». Cette expression perdit de son intĂ©rĂȘt aprĂšs la formulation du modĂšle standard dans les annĂ©es 1970, car le grand nombre de ces particules put ĂȘtre conçu comme rĂ©sultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales, encore que le calcul des propriĂ©tĂ©s des particules composĂ©es en soit encore Ă  ses balbutiements, et que les nombreux paramĂštres du modĂšle standard n'aient pas trouvĂ© d'explication satisfaisante pour leurs valeurs.

Les grandes dates[modifier | modifier le code]

  • 1873 : Maxwell rĂ©alise d'importantes recherches dans quatre domaines : la vision de la couleur, la thĂ©orie molĂ©culaire, l'Ă©lectricitĂ© et le magnĂ©tisme. Il arrive Ă  unifier les deux derniers par une thĂ©orie unique, l'Ă©lectromagnĂ©tisme. Cette thĂ©orie de Maxwell permet de dĂ©crire la propagation des ondes lumineuses dans le vide et d'en prĂ©dire un spectre de frĂ©quences thĂ©oriquement illimitĂ©.
  • 1874 : George Stoney dĂ©veloppe la thĂ©orie de l'Ă©lectron et estime sa masse.
  • 1895 : Röntgen dĂ©couvre les rayons X.
  • 1896 : Becquerel dĂ©couvre la radioactivitĂ© de l'uranium.
  • 1897 : Thomson dĂ©couvre l'Ă©lectron et crĂ©e un modĂšle oĂč l'atome est dĂ©crit comme une entitĂ© de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits Ă©lectrons nĂ©gatifs).
  • 1898 : Marie et Pierre Curie sĂ©parent les Ă©lĂ©ments radioactifs.
  • 1900 : Planck, afin d'interprĂ©ter les variations de couleur d'un corps incandescent en fonction de la tempĂ©rature, et de rĂ©soudre certains problĂšmes mathĂ©matiques liĂ©s Ă  ce problĂšme, suggĂšre un artifice : le rayonnement est quantifiĂ© (pour chaque frĂ©quence, il est Ă©mis par paquets d'Ă©nergie, de valeur, ou quantum, dĂ©pendant de la frĂ©quence).
  • 1905 : Einstein propose qu'un quantum de lumiĂšre, qui sera nommĂ© en 1926 « photon », se comporte comme une particule. Les autres thĂ©ories d'Einstein expliquent l'Ă©quivalence de la masse et de l'Ă©nergie, la dualitĂ© onde-particule des photons, le principe d'Ă©quivalence et la relativitĂ© restreinte.
  • 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilitĂ© de Rutherford, envoient des particules alpha sur une mince feuille d'or et observent parfois de grands angles de diffusion, ce qui suggĂšre l'existence d'un noyau positivement chargĂ©, petit et dense (la collision est rare) Ă  l'intĂ©rieur de l'atome.
  • 1911 : Rutherford conclut Ă  l'existence du noyau comme rĂ©sultat de l'expĂ©rience de diffusion alpha rĂ©alisĂ©e par Geiger et Marsden.
  • 1913 : Bohr construit la thĂ©orie de la structure atomique basĂ©e sur des hypothĂšses quantiques.
  • 1919 : Rutherford prouve l'existence du proton.
  • 1921 : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensitĂ© maintient le noyau uni, malgrĂ© la rĂ©pulsion Ă©lectrostatique coulombienne entre protons.
  • 1923  : Compton dĂ©couvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
  • 1924  : de Broglie propose des propriĂ©tĂ©s ondulatoires pour les particules formant la matiĂšre.
  • 1925  : Pauli formule le principe d'exclusion pour les Ă©lectrons Ă  l'intĂ©rieur d'un atome. W. Bothe et Geiger dĂ©montrent que l'Ă©nergie et la masse sont conservĂ©es dans les processus atomiques.
  • 1926  : Schrödinger dĂ©veloppe la mĂ©canique ondulatoire, qui dĂ©crit le comportement des systĂšmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprĂ©tation probabiliste de la mĂ©canique quantique. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumiĂšre.
  • 1927  : DĂ©couverte de la dĂ©sintĂ©gration ÎČ.
  • 1928  : Dirac propose son Ă©quation d’onde relativiste pour l’électron.
  • 1930  : Pauli suggĂšre l’existence d'un neutrino invisible, afin d'interprĂ©ter l'apparente disparition de l'Ă©nergie dans la dĂ©sintĂ©gration ÎČ.
  • 1930  : Particules Ă©lĂ©mentaires, incluant l'Ă©lectron, le proton, le neutron (dans le noyau), le neutrino dans la dĂ©sintĂ©gration ÎČ, le photon, quantum de champ Ă©lectromagnĂ©tique.
  • 1931  : DĂ©couverte du positron \scriptstyle e^+ (Anderson). Dirac rĂ©alise que le positron est aussi dĂ©crit par son Ă©quation.
  • 1932  : James Chadwick dĂ©couvre le neutron \scriptstyle n.
  • 1933/34  : Fermi formule sa thĂ©orie sur la dĂ©sintĂ©gration ÎČ (interaction faible) : ex. \scriptstyle n \to p + e^- +  \bar{\nu}_e.
  • 1935  : Yukawa formule son hypothĂšse sur les mĂ©sons  : La force nuclĂ©aire est due Ă  l’échange de particules massives, les mĂ©sons.
  • 1937  : DĂ©couverte du lepton ”. Bien qu'ayant Ă  peu prĂšs la masse prĂ©vue pour le mĂ©son de Yukawa, il n'a pas d'interactions assez fortes avec la matiĂšre pour jouer ce rĂŽle.
  • 1938  : ÉnoncĂ© de la loi de conservation du nombre baryonique.
  • 1946/1947  : DĂ©couverte du mĂ©son chargĂ© \scriptstyle\pi^\pm , le pion (Powell), prĂ©dit en 1935. Le \scriptstyle\mu est produit par la dĂ©sintĂ©gration ÎČ : \scriptstyle\pi^+\to\mu^+ +\nu_\mu .
  • 1946/1950  : ThĂ©orie quantique de l’électromagnĂ©tisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
  • 1948  : Production artificielle du \scriptstyle \pi^+ .
  • 1949  : DĂ©couverte du \scriptstyle K^+.
  • 1950  : DĂ©couverte du pion neutre, \scriptstyle \pi^0\to\gamma+\gamma.
  • 1951  : DĂ©couverte d'Ă©vĂ©nements en « V » : dĂ©sintĂ©gration de particules \scriptstyle K^0 et \scriptstyle \Lambda ayant une vie moyenne « étrangement » longue. Ceci est interprĂ©tĂ© en termes d'un nouveau nombre quantique, l'« étrangeté », conservĂ© par les interactions fortes et Ă©lectromagnĂ©tiques.
  • 1952  : DĂ©couverte du Δ (Ă©tat excitĂ© du nuclĂ©on).
  • 1954  : Yang et Mills proposent les thĂ©ories de jauge non-abĂ©liennes.
  • 1955  : DĂ©couverte de l'antiproton \scriptstyle \bar{p} (Chamberlain et SegrĂš).
  • 1956  : Lee et Yang suggĂšrent que la force faible peut engendrer une violation de la paritĂ©.
  • 1956  : DĂ©couverte de la violation de la paritĂ© dans les atomes de 60Co par Chien-Shiung Wu et Amber.
  • 1960/1970 : DĂ©couverte de centaines de particules « élĂ©mentaires » : \scriptstyle (\rho,~\omega,~K^\ast,~\Sigma,~\Xi, ~\ldots)
  • 1961  : Murray Gell-Mann propose la « voie octuple » SU(3)pour classer toutes ces particules.
  • 1962  : DĂ©couverte des deux neutrinos \scriptstyle\nu_\mu et \scriptstyle\nu_e .
  • 1964  : Existence des quarks \scriptstyle u,~d et \scriptstyle s (postulĂ©e par Gell-Mann et Zweig), constituants qui pourraient ĂȘtre Ă  la base du classement par SU(3).
  • 1964  : Un nouveau quark, \scriptstyle c, est suggĂ©rĂ©.
  • 1964  : DĂ©couverte de la violation de CP dans les systĂšmes \scriptstyle K^0 - \bar{K}^0 par Cronin, Fitch, Christenson et Turlay.
  • 1965  : Le nombre quantique de la couleur est proposĂ©  : toutes les particules observĂ©es sont de couleur neutre. C'est pourquoi on ne peut observer les quarks colorĂ©s.
  • 1967  : Glashow, Salam et Weinberg proposent un schĂ©ma d’unification des forces Ă©lectromagnĂ©tiques et faibles. PrĂ©diction de l’existence du boson de Higgs et des bosons lourds \scriptstyle Z^0 et \scriptstyle W^\pm, des dizaines de fois plus massifs que les particules Ă©lĂ©mentaires connues Ă  ce jour.
  • 1968-1969  : SLAC dĂ©tecte une structure ponctuelle du nuclĂ©on.
  • 1973  : ÉnoncĂ© de la thĂ©orie des interactions fortes entre particules colorĂ©es (QCD). PrĂ©diction de l’existence des gluons.
  • 1973  : LibertĂ© asymptotique postulĂ©e.
  • 1974  : DĂ©couverte du \scriptstyle J/\psi et de particules contenant un quark charmĂ© \scriptstyle c, Ă  l'UniversitĂ© Stanford et Ă  Brookhaven.
  • 1976  : DĂ©couverte d’un troisiĂšme lepton chargĂ©, le \scriptstyle \tau^-.
  • 1976  : DĂ©couverte du mĂ©son charmĂ© \scriptstyle D^0 et confirmation de l’existence du quark \scriptstyle c.
  • 1978  : DĂ©couverte d’un cinquiĂšme quark, le bottom \scriptstyle b, au Fermilab.
  • 1979  : Mise en Ă©vidence d’un gluon Ă  DESY.
  • 1983  : DĂ©couverte du \scriptstyle Z^0 et du \scriptstyle W^\pm au CERN.
  • 1990  : L'Ă©tude de la dĂ©sintĂ©gration du \scriptstyle Z^0 au LEP (CERN) montre que le nombre de neutrinos « lĂ©gers » (\scriptstyle m \,<\, 45 GeV) est limitĂ© Ă  3.
  • 1995  : DĂ©couverte d’un sixiĂšme quark, le top \scriptstyle t, au Fermilab.
  • 1998  : Preuve de l'existence de neutrinos de masse non-nulle au Super-Kamiokande.
  • 2012 : Les expĂ©riences ATLAS et CMS sur le LHC du CERN dĂ©couvrent un boson qui s'apparente au boson de Higgs avec une masse de 126 GeV/cÂČ Ă  une unitĂ© prĂšs.

Classement des particules subatomiques[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Particule Ă©lĂ©mentaire.

Les particules Ă©lĂ©mentaires peuvent ĂȘtre classĂ©es en diffĂ©rentes sous-catĂ©gories en fonction de leur propriĂ©tĂ©s.

Leptons, hadrons et quarks[modifier | modifier le code]

Leptons[modifier | modifier le code]

Les leptons (du Grec leptos, lĂ©ger, ainsi nommĂ©s parce que leurs masses sont relativement petites) sont caractĂ©risĂ©s par les propriĂ©tĂ©s suivantes :

  1. Absence d'interaction forte (ils ne portent pas de couleur).
  2. Charges Ă©lectriques entiĂšres (multiples de la charge de l’électron).
  3. Charge « faible » les regroupant en paires appelĂ©es doublets d’interaction faible.
  4. Obéissance à la statistique de Fermi-Dirac (ce sont des fermions).

Les trois paires, familles ou gĂ©nĂ©rations de leptons connues sont :

  1. \scriptstyle e ~ - ~ \nu_e (l'Ă©lectron et son neutrino)
  2. \scriptstyle \mu ~ -  ~  \nu_\mu (le mu et son neutrino)
  3. \scriptstyle \tau  ~  -  ~ \nu_\tau (le tau et son neutrino)

Hadrons[modifier | modifier le code]

Les hadrons (du grec hadros, « gros, Ă©pais Â») sont caractĂ©risĂ©s par les propriĂ©tĂ©s suivantes  :

  1. PrĂ©sence d’interaction forte (appelĂ©e « rĂ©siduelle Â» pour la distinguer de l'interaction forte de couleur liant les quarks et les gluons entre eux).
  2. Charges Ă©lectriques entiĂšres (multiples de la charge de l’électron).
  3. Interactions faibles.
  4. Constitution Ă  partir de quarks.

Les hadrons ne sont donc pas des particules fondamentales, mais plutĂŽt des Ă©tats liĂ©s de quarks. On en observe plus de 200. Ils peuvent ĂȘtre classĂ©s en deux groupes : les baryons, (du grec barus, lourd) auxquels on associe un nombre quantique spĂ©cial (le nombre baryonique) essentiellement constituĂ©s de trois quarks, et les mĂ©sons, (du grec mesos, « moyen Â») responsables des interactions fortes « rĂ©siduelle Â» entre hadrons, et auxquels on donne le nombre baryonique 0, car ils sont composĂ©s d'un quark et d'un antiquark.

Voici les hadrons les plus frĂ©quemment observĂ©s (baryons de spin 1/2, mĂ©sons de spin 0 et baryons de spin 3/2) – sur ces figures, l'axe vertical, orientĂ© vers le bas, donne l'Ă©trangetĂ© S , l'axe horizontal I3 la composante d'isospin, et l'axe oblique Q la charge Ă©lectrique ; les particules sont reprĂ©sentĂ©es par les cercles roses, et leur(s) symbole(s) figure Ă  cĂŽté ; les cercles divisĂ©s en deux reprĂ©sentent les deux particules indiquĂ©es en regard, qui diffĂšrent par diverses propriĂ©tĂ©s, notamment leur masse, non reprĂ©sentĂ©es sur ces diagrammes. Enfin, le contenu principal en quarks est indiquĂ© Ă  l'intĂ©rieur de chaque cercle :

Premier nonet de baryons


Nonet de baryons (spin 1/2)
Octet NuclĂ©ons : S = 0 \scriptstyle n,~p neutron et proton
ÉtrangetĂ© 1 \scriptstyle \Sigma^-,~\Sigma^0,~\Sigma^+ 3 Sigma
ÉtrangetĂ© 2 \scriptstyle \Xi^-,~\Xi^0 2 Xi
Singulet ÉtrangetĂ© 1 \scriptstyle \Lambda^0 1 Lambda

Ce « nonet Â» de 9 baryons assez semblables se divise en un « octet Â» de 8 et une seule particule formant un « singulet Â» . Ceci correspond Ă  des propriĂ©tĂ©s de symĂ©trie entre les quarks composants, se reflĂ©tant notamment sur la diffĂ©rence de masse entre les deux Ă©lĂ©ments centraux Λ0 et ÎŁ0.

Premier nonet de mésons


Nonet de mésons (spin 0)
Octet ÉtrangetĂ© -1 \scriptstyle K^0,~K^+ 2 kaons
ÉtrangetĂ© 0 \scriptstyle \pi^-,~\pi^0,~\pi^+ 3 pions
ÉtrangetĂ© +1 \scriptstyle K^-,~\bar{K}^0 2 anti-kaons
Singulet ÉtrangetĂ© 0 \scriptstyle \eta 1 ĂȘta

À nouveau, ce « nonet Â» de 9 mĂ©sons assez semblables se divise en un « octet Â» de 8 et un « singulet Â».

Premier décuplet de baryons


DĂ©cuplet de baryons (spin 3/2)
ÉtrangetĂ© 0 \scriptstyle \Delta^-,~\Delta^0,~\Delta^+,~\Delta^{++} 4 Delta
ÉtrangetĂ© 1 \scriptstyle \Sigma^{*-},~\Sigma^{*0},~\Sigma^{*+} 3 Sigma excitĂ©s
ÉtrangetĂ© 2 \scriptstyle \Xi^{*-},~\Xi^{*0} 2 Xi excitĂ©s
ÉtrangetĂ© 3 \scriptstyle \Omega^- 1 Omega

Ici, la symĂ©trie entre les membres du dĂ©cuplet est plus frappante : l'axe de la charge Ă©lectrique Q correspond bien, Ă  une constante prĂšs, au nombre de quarks u, celui de l'Ă©trangetĂ© S au nombre de quarks s, et le troisiĂšme axe, non tracĂ©, bissecteur entre les deux prĂ©cĂ©dents, au nombre de quarks d.

Quarks[modifier | modifier le code]

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment les particules observées.

  1. Ils interagissent fortement (soumis à l’interaction forte)
  2. Ils portent des charges Ă©lectriques fractionnaires.
  3. Ils possùdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible.
  4. On leur associe aussi une charge de couleur (3 couleurs possibles, ce sont des triplets) par laquelle ils subissent l’interaction forte.
  5. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (ce sont des fermions).

On compte six types ou saveurs de quarks : up, down, strange, charm, top et bottom (ou truth et beauty pour des raisons historiques). Comme les leptons, ils peuvent ĂȘtre regroupĂ©s en doublets qui sont des copies conformes, sauf pour ce qui est de leurs masses.

Classement des quarks
Quarks Antiquarks
Q = 2/3 Q = −1/3 Q = -2/3 Q = 1/3
\mathbf{u} (up) \mathbf{d} (down) \mathbf{\bar{u}} (anti-up) \mathbf{\bar{d}} (anti-down)
\mathbf{c} (charm) \mathbf{s} (strange) \mathbf{\bar{c}} (anti-charm) \mathbf{\bar{s}} (anti-strange)
\mathbf{t} (top) \mathbf{b} (bottom) \mathbf{\bar{t}} (anti-top) \mathbf{\bar{b}} (anti-bottom)

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.

Gluons[modifier | modifier le code]

Les gluons sont les particules fondamentales qui assurent la cohésion des hadrons en liant les quarks entre eux.

  1. Ils interagissent fortement (porteurs de l’interaction forte)
  2. Ils sont Ă©lectriquement neutres.
  3. Ils ne possùdent pas d’interaction faible.
  4. On leur associe aussi une charge de couleur (8 couleurs possibles, c'est un octet) et ils subissent donc l'interaction forte.
  5. Ils obéissent à la statistique de Bose-Einstein (ce sont des bosons).

On ne compte que huit gluons, qui interagissent avec tous les types ou saveurs de quarks, mais Ă©galement entre eux, puisqu'ils sont eux-mĂȘmes colorĂ©s. Ceci rend les calculs mathĂ©matiquement trĂšs compliquĂ©s, d'oĂč le fait que les progrĂšs sur l'architecture des particules soient trĂšs lents, bien que la thĂ©orie soit formellement connue.

En raison de l'intensitĂ© de l'interaction forte, les quarks et gluons, Ă©tant colorĂ©s, subissent le confinement de couleur, qui fait que l'on ne peut pas les observer isolĂ©ment. Seules des combinaisons oĂč toutes les couleurs se compensent (combinaisons blanches) peuvent constituer des hadrons libres.

Existence de trois familles[modifier | modifier le code]

L'ensemble des particules Ă©lĂ©mentaires semble pouvoir se dĂ©composer en trois familles (ce nombre de trois est un paramĂštre fondamental du modĂšle standard, Ă  ne pas confondre avec le nombre de couleurs portĂ©es par les quarks, autre paramĂštre fondamental) :

Familles particules.jpg

Bosons et fermions[modifier | modifier le code]

Articles dĂ©taillĂ©s : Boson et Fermion.

La mécanique quantique introduit la notion de moment cinétique intrinsÚque d'une particule, le spin. Il peut prendre des valeurs qui sont des multiples de \scriptstyle \hbar/2 = h/4\pi. Il détermine également le type de statistique auquel est soumise la particule.

  • Bosons  : Ce sont des particules de spin entier (\scriptstyle0,~\hbar ,~ 2\hbar ,~ 3\hbar ,~ \ldots), qui obĂ©issent Ă  la statistique de Bose-Einstein, c'est-Ă -dire qu'un systĂšme de deux bosons identiques, dĂ©signĂ©s par les indices 1 et 2 est dĂ©crit par une fonction d'onde qui est symĂ©trique sous l'Ă©change des particules : \scriptstyle\psi_{12} = +\psi_{21}.
  • Fermions  : Ce sont des particules de spin demi-entier (\scriptstyle\hbar/2 ,~ 3\hbar/2 ,~ 5\hbar/2 ,~ \ldots) qui obĂ©issent Ă  la statistique de Fermi-Dirac, c'est-Ă -dire qu'un systĂšme de deux fermions identiques, dĂ©signĂ©s par les indices 1 et 2 est dĂ©crit par une fonction d'onde qui est antisymĂ©trique sous l'Ă©change des particules  : \scriptstyle\psi_{12} = -\psi_{21}. En particulier, deux fermions ne peuvent pas se trouver dans le mĂȘme Ă©tat, sinon cette relation montre que leur fonction d'onde serait nulle, ce qui est absurde (principe d'exclusion de Pauli).

Particules et antiparticules[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Antiparticule.

La notion d'antiparticule fut proposĂ©e par Paul Dirac en 1928. Certaines solutions de l'Ă©quation qui porte son nom apparaissent comme portant une Ă©nergie nĂ©gative. Dirac interprĂ©ta ces solutions ainsi : en fait l'espace vide est l'ensemble de toutes ces solutions. Si l'on apporte suffisamment d'Ă©nergie Ă  une partie du vide reprĂ©sentĂ©e par une de ces solutions, elle devient une solution d'Ă©nergie positive, et laisse sa place vacante. Le trou laissĂ© vacant par cette solution d'Ă©nergie positive apparaĂźt comme une particule d'Ă©nergie nĂ©gative, et dont toutes les propriĂ©tĂ©s (charge Ă©lectrique, par exemple) sont opposĂ©es Ă  celles des solutions normales. C'est ce qu'on appelle une antiparticule.

Une antiparticule se caractĂ©rise donc par :

  • une charge et des nombres quantiques opposĂ©s Ă  ceux de la particule associĂ©e ;
  • une masse et une durĂ©e de vie identiques Ă  celles de la particule correspondante.

Par convention, l'antiparticule est dĂ©signĂ©e par une barre supĂ©rieure, ce qui n'est utile que si on ne peut pas la distinguer par sa charge. Par exemple, on pourrait Ă©crire : \scriptstyle\overline{e^-} ~= ~\bar{e}\,^+ ~=~ e^+

Interactions et champs[modifier | modifier le code]

La mécanique classique et la théorie quantique des champs ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.

  • En mĂ©canique classique, lorsqu'il y a un champ produit par une particule 1 Ă  la position de la particule 2, cette derniĂšre interagit avec la valeur de ce champ.
  • En thĂ©orie quantique des champs, l'interaction est interprĂ©tĂ©e comme un Ă©change de quanta. Il obĂ©it aux lois de conservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. Celle-ci obĂ©it Ă  l'Ă©quation d'onde dans les limites du principe d'incertitude de Heisenberg :

\scriptstyle\Delta E \times \Delta t \,>\, \hbar et \scriptstyle\Delta x \times \Delta p \,>\, \hbar

Les Ă©tats transitoires sont appelĂ©s « virtuels », par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que \scriptstyle p^2\neq 0 : si \scriptstyle \Delta t est limitĂ©, alors l'Ă©nergie n'est conservĂ©e qu'Ă  des Ă©carts \scriptstyle \Delta E ~\sim~ \hbar/\Delta t prĂšs.

Interaction électromagnétique[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Interaction Ă©lectromagnĂ©tique.

L'interaction Ă©lectromagnĂ©tique se caractĂ©rise par les propriĂ©tĂ©s suivantes  :

  • mise en jeu de particules Ă©lectriquement chargĂ©es ;
  • couplage \scriptstyle\alpha  = e^2 / 4 \pi\hbar c\epsilon_0 \approx 1/137  ;
  • temps d’interaction et/ou vies moyennes typiques de ≈ 10−20 s ;
  • sections efficaces typiques de ≈ 10−33 mÂČ ;
  • Ă©change de photons (\scriptstyle \gamma) ;
  • \scriptstyle m_\gamma = 0, donc portĂ©e \scriptstyle R ~= ~\infty (consĂ©quence du principe d'incertitude).

Interaction faible[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Interaction faible.

Les manifestations typiques de l'interaction faible sont :

  • La dĂ©sintĂ©gration ÎČ du neutron, ex. n\to p+e^-+\bar{\nu}_e ;
  • La capture d’antineutrinos, ex. p+\bar{\nu}_e \to n+e^+ ;
  • Les dĂ©sintĂ©grations hadroniques peuvent passer par les interactions faible, Ă©lectromagnĂ©tique, ou forte, mais leur caractĂ©ristiques diffĂšrent suivant le mode de dĂ©sintĂ©gration :
Modes de désintégration des hadrons
Interactions
faibles
(\Sigma^- \to n + \pi^-)
électromagnétiques
(\Sigma^0 \to \Lambda + \gamma)
fortes
(\Delta^{++} \to p + \pi^+)
RĂ©action \Delta S 1 0 0
\Delta I 1/2 1 0
\tau 10-10 s 10-19 s 5 . 10-24 s

oĂč \Delta S est le changement du nombre quantique d’étrangetĂ©, \Delta I celui de spin isotopique, et \tau est la vie moyenne ou durĂ©e des interactions. L'interaction forte doit conserver S et I, l'Ă©lectromagnĂ©tique S, mais pas I, et la faible, aucune des deux. D'oĂč la possibilitĂ© pour l'une ou pour l'autre de dominer le processus.

Les interactions faibles sont alors caractĂ©risĂ©es par les propriĂ©tĂ©s suivantes :

  • mise en jeu de neutrinos, ou de quarks qui changent de saveur, c’est-Ă -dire des particules ayant une « charge faible Â» ;
  • couplage faible (Ă  l'Ă©chelle des protons) : \alpha_\mathrm{Fermi} = G_F m^2_p/ 4\pi(\hbar c)^3 \approx 10^{-6} ;
  • temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ≈ 10−8 s ;
  • section efficace de ≈ 10−44 mÂČ ;
  • Ă©change de bosons W± (courants chargĂ©s) et Z0 (courant neutre);
  • mW = 80 GeV, donc portĂ©e R = 10−18 m (toujours le principe d'incertitude).

Les interactions Ă©lectromagnĂ©tique et faible (Ă©lectrofaibles) sont unifiĂ©es dans le modĂšle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais Ă  basse Ă©nergie, la symĂ©trie est brisĂ©e et les deux forces apparaissent bien distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible gW et l’échange des bosons de jauge W± et Z0. Les rĂ©actions faibles sont caractĂ©risĂ©es par une amplitude de probabilitĂ© de la forme :

Amplitude ≈ gÂČW/(qÂČ âˆ’ MÂČW,Z)

oĂč qÂČ est le carrĂ© de la quadri-impulsion transfĂ©rĂ©e par l’échange du quantum.

Dans la limite qÂČ â†’ 0, la thĂ©orie de Glashow-Weinberg-Salam se ramĂšne Ă  la thĂ©orie des interactions faibles de Fermi (1935), oĂč les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force GF, la constante de Fermi : G_F / (\hbar c)^3 = 1.1\times 10^{-5}~\mathrm{GeV}^{-2}.

Le modĂšle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la thĂ©orie de Fermi d’ĂȘtre renormalisable, c'est-Ă -dire d'avoir un comportement calculable Ă  haute Ă©nergie (aux masses des W et Z et au-dessus).

C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e. m.).

Interaction Ă©lectrofaible[modifier | modifier le code]

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

Interaction forte[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Interaction forte.

L'interaction forte est frĂ©quente dans les collisions de hadrons Ă  haute Ă©nergie. Elle implique, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision \scriptstyle K^- + p \to \Sigma^0 dont la durĂ©e est d’environ τ = 10−23 s. Les interactions fortes sont caractĂ©risĂ©es par les propriĂ©tĂ©s suivantes  :

  • Ă©change de particules portant une charge de couleur (quarks et/ou gluons) ;
  • couplage trĂšs fort : αs ≈ 1 ;
  • temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ≈ 10−23 s ;
  • section efficace typique de ≈ 10−30 mÂČ ;
  • confinement des quarks et gluons ;
  • libertĂ© asymptotique ;
  • portĂ©e effective de R = 10−15 m en raison du confinement.

Interaction gravitationnelle[modifier | modifier le code]

Article dĂ©taillĂ© : Interaction gravitationnelle.

Il n’existe pas actuellement une thĂ©orie de la gravitĂ© quantique satisfaisante du point de vue de la phĂ©nomĂ©nologie, bien que la thĂ©orie des supercordes soit un bon candidat (la gravitation quantique Ă  boucles cependant ne propose pas d'unifier la gravitation avec les autres interactions du modĂšle standard). Par contre, une thĂ©orie quantique gravitationnelle devrait possĂ©der les caractĂ©ristiques suivantes :

  • impliquer tout ce qui possĂšde une Ă©nergie-masse et qui donc modifie la mĂ©trique de l'espace-temps (tenseur Ă©nergie-impulsion) ;
  • avoir un couplage trĂšs faible au niveau subatomique: le couplage typique entre deux protons est αG = GNmÂČp /4π = 4.6 × 10−40 ;
  • le graviton, boson d’interaction de spin 2 correspond Ă  une fluctuation quantique de la mĂ©trique ;
  • masse nulle du graviton, la gravitation ayant une portĂ©e infinie.

Tableau récapitulatif[modifier | modifier le code]

particules
élémentaires
fermions leptons ChargĂ©s Ă©lectron : \scriptstyle e^-
muon : \scriptstyle \mu^-
tauon : \scriptstyle\tau^-
Neutrinos Ă©lectronique : \scriptstyle \nu_e
muonique : \scriptstyle \nu_\mu
tauonique : \scriptstyle \nu_\tau
quarks Charge +2/3 up : \scriptstyle u
charm : \scriptstyle c
top : \scriptstyle t
Charge -1/3 down : \scriptstyle d
strange : \scriptstyle s
bottom/beauty : \scriptstyle b
bosons bosons de jauge Interaction faible photon : \scriptstyle\gamma
Boson Z : \scriptstyle Z^0
Boson W- : \scriptstyle W^-
Boson W+ : \scriptstyle W^+
Interaction forte gluon
bosons
hypothétiques
Gravitation graviton
Int. Ă©l.-faible boson de Higgs
particules
composées
(hadrons)
baryons
(fermions)
« lĂ©gers » nuclĂ©ons neutron : \scriptstyle n
proton : \scriptstyle p
Autres Delta : \scriptstyle \Delta^{++}~ \ldots ~\Delta^-


hypĂ©rons S = 1 Lambda : \scriptstyle \Lambda^0
Sigma : \scriptstyle \Sigma^+,\,\Sigma^0,\,\Sigma^-
S = 2 Xi : \scriptstyle \Xi^0,\,\Xi^-
S= 3 Omega : \scriptstyle \Omega^-
baryons
charmés C=1
S=0 Lambda-C : \scriptstyle \Lambda_c^+
Sigma-C : \scriptstyle \Sigma_c^{++},\,\Sigma_c^+,\,\Sigma_c^0
S = 1 Xi-C : \scriptstyle \Xi_c^+,\,\Xi_c^0
S = 2 Omega-C : \scriptstyle \Omega_c^0
Baryons
bottom
B=1 Lambda-B : \scriptstyle \Lambda_b^0
mésons
(bosons)
« LĂ©gers » S = 0 pion : \scriptstyle \pi^+,\,\pi^0,\,\pi^-
ĂȘta : \scriptstyle \eta^0
rho : \scriptstyle \rho^+,\,\rho^0,\,\rho^-
phi : \scriptstyle \phi^0~(s\bar{s})
S = 1 kaon : \scriptstyle \bar{K}^0\,(s\bar{d}),~K^-\,(s\bar{u})
CharmĂ©s « Apparent » MĂ©son D : \scriptstyle D^+\,(c\bar{d}),~D^0\, (c\bar{u})
« Caché » MĂ©son J/ψ : \scriptstyle J/\psi^0\, 
(c\bar{c})
Bottom « Apparent » MĂ©son B : \scriptstyle B^0\,(b\bar{d}),~B^-\, (b\bar{u})
« Caché » MĂ©son upsilon : \scriptstyle 
\Upsilon^0\,(b\bar{b})
et bien d'autres 


ModĂšle standard[modifier | modifier le code]

L'Ă©tat actuel de la classification des particules Ă©lĂ©mentaires s'appelle le « modĂšle standard ».

Il dĂ©crit les forces fondamentales  : fortes, faibles, et Ă©lectromagnĂ©tiques en utilisant des bosons mĂ©diateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont respectivement les gluons, les bosons W± et Z et le photon.

Le modĂšle contient Ă©galement 12 particules fondamentales qui sont les constituants de la matiĂšre  : les quarks et les leptons, et leurs antiparticules. Il prĂ©voit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs.

Principales interactions avec la matiĂšre[modifier | modifier le code]

Selon leur nature et leur Ă©nergie, les particules interagiront diffĂ©remment avec la matiĂšre. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées[modifier | modifier le code]

Particules lĂ©gĂšres  : Ă©lectrons, positrons[modifier | modifier le code]

  • Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au-delĂ  de 10 MeV.
  • Diffusion inĂ©lastique avec les atomes (cortĂšge Ă©lectronique).
  • Diffusion Ă©lastique avec les noyaux.
  • Rayonnement Tcherenkov.
  • RĂ©actions nuclĂ©aires (faible contribution).

Particules lourdes : muons, protons, alpha, pions[modifier | modifier le code]

  • Diffusion inĂ©lastique avec les atomes (type d'interaction dominant).
  • Diffusion Ă©lastique avec les noyaux : peu d’énergie transfĂ©rĂ©e, car les particules sont plus lĂ©gĂšres que le noyau.
  • Rayonnement Tcherenkov.
  • RĂ©actions nuclĂ©aires.
  • Bremsstrahlung.

Particules non chargées[modifier | modifier le code]

Photons[modifier | modifier le code]

Contrairement aux particules chargĂ©es qui dĂ©posent leur Ă©nergie de maniĂšre continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisĂ©es. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans ĂȘtre affectĂ©s puis dĂ©posent brutalement de l'Ă©nergie par les interactions suivantes  :

  • Effet photoĂ©lectrique.
  • Diffusion Compton.
  • CrĂ©ation de paires \scriptstyle e^-e^+.
  • RĂ©actions nuclĂ©aires (faible contribution).

La probabilité de produire une interaction est constante le long de la trajectoire, et par suite le nombre de photons survivants décroßt en série géométrique (exponentielle) le long de la distance parcourue.

La fraction des photons qui subsistent aprĂšs avoir traversĂ© une distance x est e-”x oĂč ” est le coefficient d'absorption, exprimĂ© en cm-1. C'est la somme des coefficients d'absorption des diffĂ©rentes interactions pour les divers composants du matĂ©riau.

L'absorption peut ĂȘtre paramĂ©trĂ©e plus commodĂ©ment par le coefficient d'attĂ©nuation massique ”/ρ exprimĂ© en cmÂČ/g, sensiblement indĂ©pendant de la densitĂ© ρ du matĂ©riau absorbant, et ne dĂ©pendant plus que de sa composition.

Neutrons[modifier | modifier le code]

  • Diffusion Ă©lastique ;
  • Diffusion inĂ©lastique ;
  • Capture nuclĂ©aire ;
  • RĂ©actions nuclĂ©aires  : (n, 2n), (n, α), (n, xn), (n,p) ;
  • Fission nuclĂ©aire.

Neutrinos[modifier | modifier le code]

  • interactions Ă©lectrofaibles (crĂ©ation de leptons). TrĂšs faibles Ă  basse Ă©nergie, elles croissent vite en fonction de l'Ă©nergie.

Production et détection des particules[modifier | modifier le code]

Les études sur les particules ont débuté par l'étude des rayonnements émis par les substances radioactives, et avec des détecteurs de particules portatifs ou de table permettant de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie.

On a eu tout d'abord recours à l'observation des rayons cosmiques, en altitude pour diminuer la dégradation causée par la traversée de l'atmosphÚre. Ceci a permis d'améliorer substantiellement les détecteurs, car il fallait augmenter leur surface, compte tenu du faible nombre de rayons cosmiques intéressants. On s'est alors tourné vers la construction des accélérateurs de particules, fournissant un faisceau homogÚne et bien calibré de particules dont on a progressivement su augmenter le niveau d'énergie. ParallÚlement, les détecteurs ont progressé, afin d'étudier les interactions des particules ainsi produites.

Actuellement, les expériences de physique des particules sont menées par des équipes en collaborations internationales, qui se chargent de la construction des détecteurs spécifiques au genre d'expérimentation souhaité, et les installent auprÚs d'accélérateurs construits également par des collaborations internationales puissantes.

Les principaux sites d'accĂ©lĂ©rateurs internationaux sont :

  • le CERN (Organisation EuropĂ©enne de Recherche NuclĂ©aire), situĂ© sur la frontiĂšre franco-suisse, prĂšs de GenĂšve. Ses Ă©quipements principaux sont le Super Proton Synchrotron, un accĂ©lĂ©rateur circulaire desservant le LHC ainsi que plusieurs expĂ©riences, le LEP, un grand collisionneur d'Ă©lectrons et de positrons aujourd'hui dĂ©mantelĂ©, ainsi que le LHC, un grand collisionneur de protons, mis en service en septembre 2008 dans l'ancien tunnel du LEP.
  • le DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron), situĂ© Ă  Hambourg, en Allemagne. Son installation principale est HERA, oĂč l'on provoque des collisions entre des Ă©lectrons ou des positrons et des protons.
  • le SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), situĂ© prĂšs de Palo Alto, aux États-Unis. Son installation principale est PEP-II (collisions d'Ă©lectrons et de positrons).
  • le Fermilab ou FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), situĂ© prĂšs de Chicago, aux États-Unis. Son installation principale est le Tevatron (collisions de protons et d'antiprotons).
  • Le Laboratoire national de Brookhaven, ou BNL, situĂ© Ă  Long Island, aux États-Unis. Son installation principale est le Relativistic Heavy Ion Collider, oĂč l'on Ă©tudie des collisions entre des ions lourds tels que des ions d'or et des protons.

De nombreux autres accélérateurs de particules existent.

Notes et références[modifier | modifier le code]


Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie récente[modifier | modifier le code]

  • Les particules Ă©lĂ©mentaires (suites d'articles) , Les Dossiers de la Recherche, n° 23 - mai-juillet 2006
  • Jean Iliopoulos, DĂ©passer le modĂšle standard , Pour La Science, n° 361, novembre 2007, pp 90-96
  • Daniel Vignaud, De neutrinos en neutrinos, Pour La Science, n° 361, novembre 2007, pp 106-107

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • [1] , Introduction Ă  la physique des particules

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