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Particule élémentaire

         

L'univers est un gigantesque jeu de construction. Chaque objet est composé d'un assemblage de quelques blocs fondamentaux : les particules élémentaires.

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

Nous savons maintenant que la matière est composée d'objets appelés atomes. Ceux-ci furent originellement envisagés comme étant indivisibles, c'est-à -dire comme la plus petite particule qui soit. Cependant, il fut découvert que l'atome était composé de plus petites particules : l'électron, le proton et le neutron.

Sommaire
1 Dans les accélérateurs
2 Le modèle standard
3 L'antimatière
4 Les quarks
5 Les leptons
6 Les trois familles de particules élémentaires
7 Les bosons de jauge
8 Le boson de Higgs
9 Au-delà  du modèle standard
10 Voir aussi
11 Article connexe

Dans les accélérateurs

Dans les années 1930, les scientifiques pensaient que les électrons, les protons et les neutrons étaient les plus petits objets en quoi la matière pouvait être divisée. On les désigna comme des « particules élémentaires Â» pensant qu'ils étaient indivisibles ; les nouveaux « atomes Â» 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 magnétiques 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 fallu peu de temps 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 plus petites particules qu'on baptisa quarkss. Les protons et les neutrons sont construits à  partir de trois quarks chacun.

Jusqu'à  maintenant, aucune sous-structure ne fut découverte aux quarks et aux électrons. Ce sont donc les nouvelles particules élémentaires.

Mais l'histoire ne s'arrête pas aux quarks et aux électrons. L'observation de plusieurs centaines de particules différentes, souvent instables, a permis aux physiciens de déduire l'existence de quelques autres particules élémentaires. La description de la nature et de l'interaction de ces particules se trouve dans une théorie physique appelée le « modèle standard Â».

Le modèle standard

Les physiciens ont développé une théorie appelée modèle standard qui explique de quoi la matière est faite et comment ses constituants interagissent. Dans le modèle standard, il existe trois grandes catégories de particules élémentaires : les quarks, les leptons et les bosons de jauge.

Toutes les particules connues sont composées de quarks et de leptons, et elles interagissent en échangeant des bosons de jauge. Ainsi, toute la matière de l'Univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par les organismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Mais ce n'est pas là  toute l'histoire. Les quarks ont des propriétés bien différentes des leptons, et pour chaque sorte de particule, il existe une particule d'antimatière correspondante.

L'antimatière

Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule. Les antiparticules sont en tout point identiques à  leurs particules correspondantes excepté qu'elles ont une charge opposée. 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  amusés à  construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50,000 atomes) dans les laboratoires CERN.

Lorsqu'une particule de matière et une particule d'antimatière se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions entre particules et anti-particules 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 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 anti-électron produit par la rencontre entre des rayons cosmiques et l'atmosphère.

Les quarks

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centaines de particules pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement trois particules élémentaires. Gell-Mann choisit le nom « quarks Â» pour désigner ces particules. Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegan's Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques ; il est presque impossible à  lire).

Nous savons maintenant qu'il y a six sortes ou saveurs de quarks. Il furent joliment baptisés up, down, top, bottom, strange et charm. 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, top et charm, et de –1/3 pour les quarks down, bottom et strange.

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.

Il y a deux classes de hadrons :

Les leptons

Les autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes de leptons dont trois ont une charge négative et trois sont neutres. Mais, à  la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul.

Le lepton le plus connu est l'électron. Les deux autres leptons chargés sont le muon et le tau. Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos. Il y a une saveur de neutrino associée à  chacun des leptons chargés : un neutrino électronique, un neutrino muonique et un neutrino taonique.

L'existence du neutrino électronique fut prédite par Wolfgang Pauli en 1932, mais ce n'est qu'en 1956 qu'il fut découvert. Entretemps, 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'Isaac Isidor Rabi, un physicien des particules, accueillit la nouvelle en demandant : « Mais qui a commandé ce truc là  ? Â» 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 et un lepton chargé avec son neutrino. D'une famille à  l'autre, les propriétés des particules sont identiques, 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 neutrino électronique. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et son neutrino muonique. Les quarks top et bottom, le taon et le neutrino taonique 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

Maintenant que vous savez de quoi la matière est composée, peut-être vous demandez-vous : « Comment tient-elle ensemble ? Â» 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 force 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 Â».

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 :

Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Le boson de Higgs

Le modèle standard prédit l'existence d'une particule très spéciale : le boson de Higgs.

à€ l'origine, la théorie du modèle standard considérait que toutes les particules élémentaires n'avaient aucune masse. C'était évidemment non conforme à  la réalité. Les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de plusieurs particules avec de bonnes précisions. Seulement 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 Â» (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. Ses découvreurs mériteront à  coup sà»r le prix Nobel. Si aucun laboratoire n'y parvient d'ici 2007, le nouvel accélérateur du CERN à  Genève, qui sera en fonction à  cette date, devrait apporter une réponse définitive sur l'existence du boson de Higgs.

Au-delà  du modèle standard

Le modèle standard est une bonne théorie. Maintes expériences ont validé ses prédictions avec d'incroyables précisions et toutes les particules postulées ont été trouvées.

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 ? 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. 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 ou 11 dimensions; rien de moins!

Voir aussi

Les particules élémentaires, roman de Michel Houellebecq

Article connexe

Tableau périodique des éléments , matière , Matériau