Particules élémentaires

En physique, les particules élémentaires sont appelées des objets physiques à l’échelle du noyau de l’atome, qui ne peuvent pas être divisés en parties constitutives. Cependant, à ce jour, les scientifiques ont tout de même réussi à diviser certaines d’entre elles. La structure et les propriétés de ces minuscules objets sont étudiées par la physique des particules.

Histoire de la découverte des premières particules

L’existence des plus petites particules qui composent toute la matière était déjà connue dans l’Antiquité. Cependant, les fondateurs de ce que l’on appelle l'»atomisme» sont considérés comme le philosophe de la Grèce antique Leucippe et son élève plus célèbre Démocrite. On suppose que c’est ce dernier qui a introduit le terme «atome». Atomos» est traduit du grec ancien par «indivisible», ce qui définit le point de vue des philosophes de l’Antiquité.

Plus tard, on s’est rendu compte que l’atome pouvait encore être divisé en deux objets physiques : le noyau et l’électron. Ce dernier est devenu la première particule élémentaire lorsqu’en 1897, l’Anglais Joseph Thomson a réalisé une expérience avec des rayons cathodiques et a découvert qu’ils étaient constitués d’un flux de particules identiques ayant la même masse et la même charge.

Parallèlement aux travaux de Thomson, Henri Becquerel, chercheur en rayons X, réalise des expériences avec de l’uranium et découvre un nouveau type de rayonnement. En 1898, un couple de physiciens français, Marie et Pierre Curie, étudient diverses substances radioactives et découvrent le même rayonnement radioactif. Il s’avère plus tard qu’il est composé de particules alpha (2 protons et 2 neutrons) et bêta (électrons), et Becquerel et Curie reçoivent le prix Nobel. Lors de ses recherches sur des éléments tels que l’uranium, le radium et le polonium, Marie Sklodowska-Curie n’a pris aucune mesure de sécurité et n’a même pas utilisé de gants. En conséquence, elle a été frappée par une leucémie en 1934. En mémoire des réalisations de la grande scientifique, l’élément découvert par le couple Curie, le polonium, a été nommé en l’honneur de la patrie de Marie — Polonia, du latin Pologne.

Photo du cinquième congrès Solvay de 1927. Essayez de retrouver tous les scientifiques de cet article sur cette photo.

Dès 1905, Albert Einstein consacre ses publications aux imperfections de la théorie ondulatoire de la lumière, dont les postulats divergent des résultats des expériences. Cela a conduit le physicien à l’idée d’un «quantum de lumière», c’est-à-dire d’une portion de lumière. Plus tard, en 1926, le physiochimiste américain Gilbert N. Lewis lui a donné le nom de «photon», traduit du grec «phos» («lumière»).

En 1913, Ernest Rutherford, physicien britannique, se basant sur les résultats d’expériences déjà réalisées à l’époque, constate que les masses des noyaux de nombreux éléments chimiques sont des multiples de la masse du noyau d’hydrogène. Il a donc émis l’hypothèse que le noyau d’hydrogène était un constituant des noyaux d’autres éléments. Dans son expérience, Rutherford a irradié un atome d’azote avec des particules alpha, ce qui a entraîné l’émission d’une certaine particule, nommée par Ernest «proton», du grec «protos» (premier, élémentaire). Il a ensuite été confirmé expérimentalement que le proton était le noyau de l’hydrogène.

Il est évident que le proton n’est pas le seul constituant des noyaux des éléments chimiques. Le fait que deux protons dans le noyau se repousseraient et que l’atome se désintégrerait instantanément conduit à cette idée. Rutherford a donc émis l’hypothèse de la présence d’une autre particule ayant une masse égale à celle du proton, mais non chargée. Certaines expériences menées par des scientifiques sur l’interaction entre des éléments radioactifs et des éléments plus légers les ont conduits à la découverte d’un nouveau rayonnement. En 1932, James Chadwick a déterminé qu’il était constitué des mêmes particules neutres, qu’il a appelées neutrons.

Les particules les plus connues ont ainsi été découvertes : le photon, l’électron, le proton et le neutron.

Les découvertes de nouveaux objets subnucléaires sont devenues de plus en plus fréquentes, et l’on connaît aujourd’hui environ 350 particules considérées comme «élémentaires». Celles qui n’ont pas encore été scindées sont considérées comme dépourvues de structure et sont appelées «fondamentales».

Qu’est-ce que le spin ?

Avant de procéder à d’autres innovations en physique, il est nécessaire de définir les caractéristiques de toutes les particules. Parmi les plus connues, outre la masse et la charge électrique, figure le spin. Cette quantité est appelée autrement «momentum propre» et n’est en rien liée au mouvement de l’objet subnucléaire dans son ensemble. Les scientifiques ont pu détecter des particules de spin 0, ½, 1, 3/2 et 2. Pour visualiser, bien que de manière simplifiée, le spin en tant que propriété d’un objet, prenons l’exemple suivant.

Si un objet a un spin égal à 1, il reviendra à sa position initiale après une rotation de 360 degrés. Sur le plan, cet objet peut être un crayon qui, après une rotation de 360 degrés, se retrouvera dans sa position initiale. Dans le cas d’un spin nul, quelle que soit la rotation de l’objet, celui-ci aura toujours le même aspect, par exemple une balle unicolore.

Pour la rotation ½, vous aurez besoin d’un objet qui conserve son apparence après une rotation de 180 degrés. Il peut s’agir du même crayon, mais taillé symétriquement des deux côtés. Un spin égal à 2 nécessitera une conservation de la forme lors d’une rotation de 720 degrés, et 3/2 nécessitera 540.

Cette caractéristique est très importante pour la physique des particules.

Modèle standard des particules et des interactions

Modèle standard en physique

Disposant d’un ensemble impressionnant de micro-objets qui constituent le monde qui nous entoure, les scientifiques ont décidé de les structurer, ce qui a donné naissance à une construction théorique connue de tous, le modèle standard. Il décrit trois interactions et 61 particules à l’aide de 17 principes fondamentaux, dont certains ont été prédits bien avant leur découverte.

Les trois interactions sont les suivantes :

• Électromagnétique. Il se produit entre des particules chargées électriquement. Dans un cas simple, connu depuis l’école, les objets chargés différemment s’attirent et les objets chargés de la même manière se repoussent. Cela se produit au moyen de ce que l’on appelle le vecteur de l’interaction électromagnétique — le photon.
• L’interaction forte, également connue sous le nom d’interaction nucléaire. Comme son nom l’indique, son action s’étend aux objets de l’ordre du noyau atomique, elle est responsable de l’attraction des protons, des neutrons et d’autres particules, également constituées de quarks. L’interaction forte est portée par les gluons.
• Faible. Elle opère à des distances mille fois inférieures à la taille du noyau. Les leptons et les quarks, ainsi que leurs antiparticules, participent à cette interaction. Dans le cas de l’interaction faible, ils peuvent se réincarner les uns dans les autres. Les porteurs sont les bosons W+, W- et Z0.

Un bref aperçu des différentes familles de particules élémentaires et composites

Le modèle standard est donc constitué de la manière suivante. Il comprend les six quarks qui constituent tous les hadrons (particules soumises aux interactions fortes) :

• Supérieur (u) ;
• Charmé (c) ;
• Vrai (t) ;
• Inférieur (d) ;
• Étrange (s) ;
• Charmant (b).

On voit que les physiciens ne manquent pas d’épithètes. Les six autres particules sont des leptons. Ce sont des particules fondamentales de spin ½ qui ne participent pas à l’interaction forte.

• L’électron ;
• Le neutrino électronique ;
• Le muon ;
• Le neutrino du muon ;
• Lepton tau ;
• le neutrino Tau.

Le troisième groupe du modèle standard est celui des bosons de jauge, qui ont un spin égal à 1 et semblent être porteurs d’interactions :

• Gluon — forte ;
• Photon — électromagnétique ;
• boson Z — faible ;
• le boson W est faible.

Ils comprennent également le boson de Higgs, récemment découvert, une particule de spin 0 qui, de manière simpliste, confère une masse inerte à tous les autres objets subnucléaires.

En conséquence, selon le modèle standard, notre monde ressemble à ceci : toute la matière est constituée de 6 quarks, qui forment les hadrons, et de 6 leptons ; toutes ces particules peuvent participer à trois interactions, portées par des bosons de jauge.

Inconvénients du modèle standard

Cependant, même avant la découverte du boson de Higgs, la dernière particule prédite par le modèle standard, les scientifiques étaient allés au-delà. Le meilleur exemple en est l’interaction dite «gravitationnelle», qui est désormais au même niveau que les autres. Son vecteur est vraisemblablement une particule de spin 2, sans masse, que les physiciens n’ont pas encore réussi à détecter : le «graviton».

De plus, le modèle standard décrit 61 particules, alors que l’humanité en connaît aujourd’hui plus de 350. Cela signifie que le travail des physiciens théoriciens n’est pas terminé.

Classification des particules

Pour se simplifier la vie, les physiciens ont regroupé toutes les particules en fonction de leur structure et d’autres caractéristiques. La classification est basée sur les caractéristiques suivantes :

• Durée de vie.
  1. Stables. Il s’agit du proton et de l’antiproton, de l’électron et du positron, du photon et du graviton. L’existence des particules stables n’est pas limitée par le temps, tant qu’elles sont dans un état libre, c’est-à-dire qu’elles n’interagissent avec rien.
  2. Instables. Toutes les autres particules se désintègrent au bout d’un certain temps en leurs éléments constitutifs, c’est pourquoi on les appelle instables. Par exemple, un muon ne vit que 2,2 microsecondes, et un proton — 2,9-10*29 ans, après quoi il peut se désintégrer en un positron et un pion neutre.
• Masse.
  1. Particules élémentaires sans masse, dont il n’existe que trois : le photon, le gluon et le graviton.
  2. Les particules massives sont toutes les autres.
• Signification du spin.
  1. Les particules ayant un spin entier, y compris le spin zéro, sont appelées bosons.
  2. Les particules à spin demi-entier sont des fermions.
• Participation aux interactions.
  1. Les hadrons (particules structurelles) sont des objets subnucléaires qui participent aux quatre types d’interactions. Il a été mentionné précédemment qu’ils sont composés de quarks. Les hadrons sont divisés en deux sous-types : les mésons (spin entier, sont des bosons) et les baryons (demi spin — fermions).
  2. Les particules fondamentales (sans structure). Elles comprennent les leptons, les quarks et les bosons de jauge (lire plus haut — «Le modèle standard…»).

Après s’être familiarisé avec la classification de toutes les particules, il est possible, par exemple, de définir précisément certaines d’entre elles. Ainsi, le neutron est un fermion, un hadron, ou plutôt un baryon, et un nucléon, c’est-à-dire qu’il a un spin demi-entier, qu’il est constitué de quarks et qu’il participe à 4 interactions. Le nucléon, quant à lui, est un nom commun pour les protons et les neutrons.

Faits intéressants

• Il est intéressant de noter que les opposants à l’atomisme, Démocrite, qui a prédit l’existence des atomes, ont déclaré que toute substance dans le monde est divisible à l’infini. Dans une certaine mesure, ils ont peut-être raison, car les scientifiques ont déjà réussi à diviser l’atome en un noyau et un électron, le noyau en un proton et un neutron, et ces derniers en quarks.
• Démocrite partait du principe que les atomes ont une forme géométrique claire et que, par conséquent, les atomes «pointus» du feu brûlent, les atomes rugueux des solides sont fermement fixés par leurs protubérances et les atomes lisses de l’eau glissent lorsqu’ils interagissent, sinon ils coulent.
• Joseph Thomson a créé son propre modèle d’atome, qu’il a imaginé comme un corps chargé positivement avec des électrons «collés» à l’intérieur. Son modèle était appelé le modèle Plum pudding.
• Les quarks doivent leur nom au physicien américain Murray Gell-Mann. Le scientifique voulait utiliser un mot similaire au son d’un canard qui fait coin-coin (kwork). Mais dans le roman «Finnegan’s Wake» de James Joyce, il a rencontré le mot «quark» dans le vers «Three quarks for Mr Mark !», dont le sens n’est pas précisément défini et qu’il est possible que Joyce ait utilisé juste pour la rime. Murray a décidé d’appeler les particules par ce mot, car seuls trois quarks étaient connus à l’époque.
• Bien que les photons, particules de lumière, soient sans masse, à proximité d’un trou noir, ils semblent changer de trajectoire, attirés par l’interaction gravitationnelle. En fait, le corps supermassif courbe l’espace-temps, ce qui fait que toutes les particules, y compris celles qui n’ont pas de masse, changent de trajectoire vers le trou noir (voir les effets intéressants de la gravité).
• Le Grand collisionneur de hadrons est «hadronique» précisément parce qu’il fait entrer en collision deux faisceaux dirigés de hadrons, des particules de l’ordre de la taille d’un noyau atomique, qui participent à toutes les interactions.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023