"Comment
construire un univers
qui
ne s'écroule pas deux jours plus tard?"
Philip
K. Dick |
Au sens large,
le terme de particule désigne tout corps microscopique. Il prend
également en physique l'acception de corps élémentaire
à partir duquel sont construits tous les autres corps, y compris
les atomes. On parle alors de particules élémentaires.
La matière est constituée de telles particules, mais dans
les conceptions actuelles de la physique, les forces qui définissent
les interactions entre les particules de matière correspondent aussi
à des particules élémentaires particulières,
les particules porteuses de forces. Toutes les particules connues, qu'elles
soient de matière ou porteuses des forces, possèdent un double,
leur antiparticule, de même masse qu'elles, mais qui leur est exactement
les opposée sur d'autres points, un peu comme leur reflet inversé
dans un miroir.
Particules
composites et particules fondamentales.
Certaines particules élémentaires
sont indécomposables en entités plus petites. Dépourvues
de structure sous-jacente, ces particules sont dites fondamentales
et sont considérées comme ponctuelles. Parmi elles, les quarks,
les diverses sortes de leptons (électron, muon, tauon et neutrinos)
et les particules porteuses des forces (comme le photon, par exemple, porteur
de la force électromagnétique). D'autres particules élémentaires,
au contraire, possèdent, à l'image des atomes, une sous-structure
: elles sont formées, de particules fondamentales (les quarks) fortement
liées entre elles par des particules (les gluons) porteuses d'une
force particulière, très intense, la force forte : ce sont
les particules composites, que l'on appelle aussi hadrons
(du grec adros = fort).
Les particules composites sont
constituées de deux ou de trois quarks liés entre eux par
la force forte. Les hadrons composés de trois quarks sont appelées
baryons
(ce
mot signifie lourd en grec); ceux qui n'on que deux quarks
(en fait un quark et un antiquark) sont appelés
mésons
(méso = au milieu, en grec, référence
à la masse moyenne de ces particules). La taille de particules composites
est de l'ordre du fermi (1 fermi = 1 femtomètre = 1 fm = 1×10-15
m), soit quelques centaines de milliers de fois inférieure à
celle d'un atome.
Les
nucléons,
c'est-à-dire les protons et les neutrons, qui sont les particules
qui constituent le noyau des atomes, sont composés de trois quarks.
La charge électrique positive portée par les protons et la
neutralité électrique des neutrons résultent de leurs
compositions en quarks.
Autant qu'on puisse le savoir, les quarks,
dont il existe six types ou saveurs, n'ont pas de sous-structure :
ce sont des particules fondamentales de matière au même titre
que les leptons, dont les électrons et les neutrinos sont des exemples.
Les électrons, de charge électrique négative, se rencontrent
ordinairement à la périphérie des atomes; les neutrinos
dont les premiers indices de l'existence ont été révélés
par l'étude de la radioactivité, sont des particules électriquement
neutres et n'interagissent que faiblement avec le reste de la matière
(ils sont sensibles à une force appelée la force faible).
Contrairement aux hadrons, les leptons ne sont pas sensibles à la
force forte.
Les particules de matière
interagissent entre elles selon quatre modalités seulement, correspondant
à l'échange entre elles de quatre types de particules porteuses
des quatre forces fondamentales. Ces forces, définissant chacune
un mode d'interaction, sont, à l'échelle des particules élémentaires,
la force nucléaire forte (portée par huit sortes ou saveurs
de gluons), la force nucléaire faible (portée par trois particules
nommées bosons intermédiaires ou bosons faibles) et
et la force électromagnétique (portée par le photon),
auxquelles on ajoute la force gravitationnelle, qui doit être traitée
de façon quelque peu distincte, mais que l'on suppose portée
elle aussi par une particule, le graviton.
Les différentes particules porteuses
des forces sont appelées bosons de jauge (jauge = mesure,
le terme se référant à une classe particulière
de théories mathématiques utilisées pour décrire
les interactions). On ajoute à cette collection une particule spéciale,
le boson de Higgs, considéré comme responsable de la masse
des particules.
Bosons
et fermions.
Le terme de boson (du nom de Satyendranath
Bose ,
1894-1974), utilisé pour qualifier les particules de forces, a une
origine statistique et s'applique aussi à certaines particules de
matière. Il s'oppose à celui de fermion (du nom de
Enrico Fermi ,
1901-1954). Le rangement des particules dans la catégorie des bosons
ou des fermions dépend de leur comportement collectif, qui lui-même
découle de leur spin ( = l'analogue
quantique de ce qui, à l'échelle macroscopique, définirait
la rotation des particules sur elles-mêmes). Les bosons sont
des particules de spin entier (0, 1, 2, ...); lorsque leur spin est demi-entier
(1/2, 2/3, ...), on range les particules dans la catégorie
des fermions.
Les quarks, les leptons et certains
hadrons (les baryons) sont des fermions.
Les particules porteuses de forces et
certains hadrons (les mésons) sont des bosons.
La
durée de vie des particules.
Il n'a que très peu de particules
stables, c'est-à-dire dont la durée de vie est illimitée
(proton, éléctron, photon, neutrinos). En général,
les particules se désintègent sponanément , et leur
durée de vie est inférieure au cent-millionième de
seconde; elle peut même être encore des milliards de fois plus
courte. La durée de vie d'une particule dépend en grande
partie de la force qui domine les processus dans lesquels cette particule
est impliquée.
L'antimatière.
Le monde auquel nous appartenons est composé
de particules dites de matière (ou du moins d'un petit sous-ensemble
de telles particules, les particules stables), ainsi que des diverses particules
responsables des interactions. Mais cela ne représente qu'une moitié
de la réalité. Pour chaque particule - qu'elle soit une particule
de matière ou une particule porteuse de force -, il existe une antiparticule
qui est son double d'une certaine manière. Une particule et son
antiparticule sont identiques, sauf pour quelques caractéristiques.
L'antiparticule de l'électron
(e–), par
exemple, est l'antiélectron, positon ou positron (e+)
: il a la même masse que l'électron, mais sa charge électrique
(et certaines autres propriétés) est de signe opposé.
Quelques particules, électriquement neutres, peuvent être
leur propre antiparticule. C'est le cas, par exemple du photon ( ).
Ce qu'il y a de plus notable à propos
des antiparticules, c'est que lorsqu'elles interagissent avec leur particule,
elles s'annihilent mutuellement. Leur énergie totale (énergie
cinétique + énergie de masse) est convertie en énergie
de rayonnement (photons).
Le
zoo des particules élémentaires.
Le tableau suivant,
tout incomplet qu'il soit, donne une idée de l'univers dans lequel
on s'engage quand on s'intéresse aux particules élémentaires.
Le vocabulaire introduit ici et les principes de classification adoptés
seront explicités ou approfondis dans la suite de cette page.
Particules
fondamentales
Particules
supposées ponctuelles :
pas
de structure interne.
|
Fermions
Particules
de
spin demi-entier. |
Leptons
insensibles
à l'interaction forte. |
Electron,
muon,
tauon
et leurs neutrinos associés.
Particules de charge électrique négative ou nulle (dans le
cas des neutrinos). |
Quarks
Constituants
des hadrons, sensibles à l'interaction forte. |
6 saveurs de
quarks
(u, d, c, t, s, b)
Particules toujours à
l'état lié (par l'interaction forte), et de charge électrique
fractionnaire. |
Bosons
Particules
de spin entier ou nul. |
Bosons
de jauge
porteurs des forces d'interaction |
1
photon
( ),
vecteur de l'interaction électromagnétique.
8
gluons
(g), vecteurs de l'interaction forte.
3
bosons
intermédiaires (W+,
W- et Z0),
vecteurs de l'interaction faible.
Graviton,
particule hypothétique supposée porteuse de l'interaction
gravitationnelle. |
Boson
scalaire |
Boson
de Higgs, impliqué dans
le mécanisme responsable de la masse des particules. |
|
Particules
composites
Particules
non ponctuelles et possédant une sous-structure.
|
Fermions |
Hadrons
Composés
de 2 ou 3 quarks; sensibles à l'interaction forte. On connaît
plusieurs centaines de hadrons. |
Baryons
Particules composées
de trois quarks. |
Baryons composés
des quarks u et d :
Nucléons:
proton
(uud),
neutron (udd)
Résonances
delta+
et delta°
(états excités du proton et du neutron),
etc.
Hypérons(baryons
étranges) : lambda,
xi, oméga, sigma, etc. |
Bosons |
Mésons
Composés d'un quark et d'un anti-quark. |
Pions,
kaons, éta, J/psi, upsilon,
etc. |
Sauf
indication contraire (et cas des particules qui sont leur propre antiparticule),
ce tableau comme les suivants, ne répertorie pas les antiparticules.
L'exception ici est le boson W- qui est l'antiparticule du boson
W+. |
Vers
l'unification de la physique.
Au final, un assez petit nombre de composants
et de principes fondamentaux s'avère capable de rendre compte de
toute la diversité des phénomènes physiques. Quelques
centaines de particules élémentaires ont été
identifiées, mais une douzaine seulement (auxquelles s'ajoutent
leurs antiparticules) sont fondamentales, et il n'existe que quatre forces,
responsables de quatre types d'interactions fondamentales. Comme, dans
une perspective empirique, une particule est entièrement définie
par la connaissance des interactions qu'elle a avec le reste de l'univers,
il n'est pas nécessaire d'avoir une théorie pour chaque particule
: il suffit de disposer de seulement quatre théories (une pour chaque
type d'interaction dans laquelle une particule de matière peut être
impliquée). La fusion en une seule théorie de la théorie
de l'électromagnétisme et de la théorie de la force
faible, qui en fait les deux expressions, à basse énergie,
d'une seule force à très haute énergie, réduit
aujourd'hui à trois le nombre de théories fondamentales nécessaires.
Les physiciens pensent cependant qu'ils peuvent aller encore plus loin,
et qu'ils pourront, à terme, rendre compte de tous les phénomènes
physiques dans le cadre d'une unique théorie. Ils visent donc ce
qu'ils appellent l'unification de la physique.
La physique des particules se déploie
aujourd'hui dans un cadre général, appelé la théorie
quantique des champs, et dont le socle est constitué par la théorie
des quanta (physique quantique) et la relativité restreinte. Un
des premiers résultats de la théorie quantique des champs
a été comprendre les mécanismes à travers lesquels
les particules interagissent au travers de l'échange de particules
de porteuses de forces. Cela a donné naissance à un nouveau
cadre formel dans lequel peuvent s'inscrire les interactions, et
que l'on appelle les théories de jauge. A l'heure actuelle, l'électromagnétisme
est décrit par une telle théorie, l'électrodynamique
quantique. Celle-ci, réunie à la théorie de la
force faible, dessine une autre théorie de jauge, la théorie
électrofaible. Et un même cadre a été produit
pour expliquer l'interaction forte qui soude entre eux les quarks (et secondairement
les particules composées de quarks), c'est la chromodynamique
quantique. Seule la théorie de la gravitation reste rétive
à ce type d'approche.
La théorie électrofaible
et la chromodynamique quantique, qui malgré leurs ressemblances,
sont deux théories distinctes, forment ce que les physiciens appellent
le modèle standard des particules. Celui-ci réussit
très bien et est largement accepté. Mais il n'est pas complètement
satisfaisant (par exemple, la valeur de quelques paramètres sur
lequel il repose n'est pas expliquée par la théorie et doit
être déterminée expérimentalement). Aussi les
physiciens espèrent-ils être capables de réunir la
théorie électrofaible et la chromodynamique quantique en
une théorie unique, appelée théorie de grande unification,.
Une étape ultérieure serait l'unification de cette théorie
et de la théorie de la gravitation. Elle est envisageable dans le
cadre de nouvelles théories, pour l'heure hautement spéculatives,
les théories des cordes et supercordes,
qui renoncent à envisager les particules fondamentales comme des
objets ponctuels, mais y voient plutôt des objets linéaires
(cordes, supercordes) microscopiques.
Les règles
du jeu
Avant de dire les principales
règles qui organisent le monde des particules, un mot des deux piliers
sur les sur lequel la physique des particules repose.
La
physique quantique.
Le premier, c'est
la physique du monde microscopique, autrement la physique quantique. La
théorie quantique a été intiée dès 1900
par Max Planck
(1858-1947). Elle permet de comprendre les règles très inhabituelles
qui régissent le monde ultramicroscopique et se fonde sur l'idée
qu'à cette échelle un objet doit être décrit
soit comme une onde, soit comme un corpsucule. Les deux descriptions
ne pouvant être utilisées simultanément.
Lorsqu'on
parle de particule, on n'a souvent en tête qu'un versant de ce qu'est
un objet quantique, le corpuscule (lorsque, par exemple on dit que le proton
a un diamètre de 0,833 fm, on ne peut pas échaper à
l'image mentale d'une sphère microscopique, alors même qu'il
y a derrière cette mesure des concepts qui ne sont pas d'une appréhension
aussi immédiate); mais l'autre versant doit être considéré
à égalité-:
l'onde. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, chaque
particule est associée à un champ, qui lui-même absorbe
ces deux aspects : l'onde est une perturbation du champ; le
corpuscule est un quantum de ce champ.
Quant à
savoir si une particule (ou le champ qui lui est associé) peut être
abordée sous l'aspect ondulatoire ou corspusculaire, cela dépend
de ce que l'on veut connaître à son sujet ou à propos
du phénomène étudié. On dit quelquefois qu'une
particule se propage comme une onde et interagit comme un corpuscule. Par
exemple, le photon (la « particule de lumière »), est
décrit comme une onde ( = perturbation du champ électromagnétique)
lorsqu'on étudie étudie le phénomène d'interférences,
et comme corspuscule ( = quantum du champ électromagnétique)
lorsqu'on s'intéresse à l'effet photo-électrique.
Puisque la description corpusculaire et la
description ondulatoire sont incompatibles, lorsqu'on étudie les
aspects ondulatoires d'un phénomène,
on est obligé d'en laisser de côté les aspects corpusculaires,
et vice-versa. Tout ce qui caractérise un phénomène
n'est donc pas accessible à un instant donné. La connaissance
incomplète du phénomène étudié revêt
ainsi un caractère nécessairement probabiliste. C'est à
quoi se réfèrent les relations d'indétermination de
Heisenberg
(1901-1976) : ces relations Heisenberg permettent cependant d'encadrer
à l'intérieur de certaines limites la part d'inconnu.
La
relativité restreinte.
La théorie
de la relativité restreinte, produite en 1905 par Albert
Einstein
(1879-1955) est le second pilier sur lequel
repose la physique des particules. En postulant l'existence une vitesse
limite c (couramment appelée la « vitesse
de la lumière dans le vide ») pour la propagation des
phénomènes physiques, cette théorie a mis à
bas la conception newtonienne de l'espace du temps absolus, qui ont été
remplacés par un nouvel absolu, l'espace-temps. La physique
qu'elle fonde, la physique relativiste, a ainsi considérablement
enrichi la physique des particules. La notion d'antimatière, par
exemple, est directement issue d'une réécriture de la physique
quantique en des termes relativistes. Mais ce n'est là qu'une conséquence
du résultat le plus connu de la théorie de la relativité,
l'équivalence de la masse m et de l'énergie E,
que résume la formule E = mc². Cette équivalence
s'exprime partout dans la physique des particules et c'est le concept qu'on
va peut-être manipuler le plus, implicitement ou explicitement, au
fil des pragraphes qui suivent.
Comme une poignée
d'autres particules, le photon n'a pas de masse, mais il transporte une
énergie et toutes les particules possèdent une énergie.
Dans le cas des particules qui ont une masse au repos, une part de l'énergie
qu'elles transportent peut se manifester au travers de cette cette masse
et une autre part sous d'autres formes (énergie cinétique,
notamment). La masse n'est pas une forme d'énergie (équivalence
ne signifie pas identité), mais elle ne peut pas pas non plus être
réduite simplement à lune certaine «-quantité
de matière », comme la définissait Isaac Newton
(1643-1727). C'est quelque chose entre les deux : un des deux termes de
la notion de masse-énergie. (On pourrait faire une observation analogue
à propos de la notion d'espace-temps, qui n'identifie pas les deux
termes, mais les lie indissolublement).
D'une manière
générale, les processus dans lesquels sont engagées
les particules (production, destruction, interactions diverses) permettent
à l'énergie de se manifester sous ses différentes
formes ou comme masse. Pour produire une particule de masse m, il
faut disposer d'une énergie E d'au moins mc².
(Et en pratique souvent bien supérieure)
Les masses des particules s'expriment
normalement en MeV/c² ou en Gev/c². Mais l'équivalence
masse-énergie explique qu'on utilise ordinairement (même si
c'est abusivement) comme unités de masse les seules unités
d'énergie : le MeV (méga-électronvolts) ou le Gev
(giga-électronvolts). 1 MeV = 106
eV = 1,602 × 10-13 joules;
1 GeV = 109; eV = 1,602 × 10-10
joules.
Les accélérateurs
de particules
L'étude des
particules élémentaires exige de disposer de très
hautes énergies. L'une des raisons en est, qu'en vertu de l'équivalence
masse-énergie, on ne peut provoquer la création de particules
massives que dans le cadre de processus impliquant une énergie suffisante.
L'autre raison tient au caractère ondulatoire des particules : pour
sonder des distances très petites, il est nécessaire que
la longueur de l'onde associée à la particule utilisée
à cet usage soit le plus courte possible, autrement dit le plus
énergétique possible (le microscope électronique,
par exemple, fonctionne sur ce principe). Les termes physique des particules
et physique des hautes énergies sont synonymes.
Les physiciens ont
ainsi commencé à utiliser les collisions entre les rayons
cosmiques (particules ultra-énergétiques, venues de l'espace
et frappant la Terre) et des noyaux atomiques servant de cibles. Quelques
avancées majeures ont été réalisés par
ce moyen, comme la découverte des muons ou celles des pions. Mais
les technologies développées lors de la mise au point de
la bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale ont permis ensuite
à la recherche civile de disposer d'accélérateurs
de particules, qui ont progressivement supplanté l'usage des rayons
cosmiques à partir des années 1950.
Le principe de ces
appareils est de provoquer des collisions de particules cibles avec des
particules chargées électriquement et accélérées
jusqu'à de très hautes vitesses.
Les accélérateurs
linéaires accélèrent les particules le long d'une
ligne droite en les soumettant tout au long de leur parcours à une
tension accélératrice.
Les cyclotrons
et leurs successeurs (les cyclosynchrotrons et les synchrotons), plus efficaces
pour obtenir des énergies élevées, accélèrent
également les particules en les soumettant à une déifférence
de potentiel, et les maintiennent par ailleurs sur une trajectroire circulaire
grâce à une champ magnétique.
Dans les collisionneurs,
au lieu de provoquer les collisions par le bombardement d'une cible immobile
par un faisceau de particules accélerées, on provoque la
collision frontale de deux faisceaux de particules de masses et d'énergies
cinétiques égales se déplaçant en sens opposé.
Comme la quantité de mouvement totale des particules au point d'impact
est égale à zéro, toute leur énergie cinétique
est disponible pour la réaction.
C'est parmi les collisionneurs
que se rencontre aujourd'hui lesaccélérateurs les plus puissants.Citons
le le grand collisionneur circulaire (d'un diamètre de 27
km) électron-positon (LEP) du CERN, qui a fonctionné entre
1989 et 2000, et le collisionneur linéaire de Stanford (long
de 3,2 km) utilisant la collision à la fois des électrons
et des positons. Le CERN a achevé en 2007 la construction du Large
Hadron Collider (LHC), un collisionneur proton-proton capable de fournir
une énergie au centre de masse de 14 TeV (cet accélérateur
est construit dans le circonférence du tunnel qui contenait le LEP).
Après le LHC, l'accélérateur de protons le plus énergétique
au monde est le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire
national de Brookhaven qui est utilisé pour provoquer la collision
d'ions lourds.
Parallèlement,
les techniques de détection ont évolué devenant elles
aussi de plus en plus complexes. On s'en tiendra ici à mentionner
les différentes chambres à ionisation (chambre à bulles,
chambres à brouillard, etc.). Leur principe est le suivant : le
passage d'une particule chargée électriquement y provoque
l'ionisation des atomes enfermés dans leur enceinte; cette ionisation
est ensuite à l'origine de divers processus visibles à l'échelle
macroscopique qui révèlent la trajectoire de la particule
(la masse, la durée de vie, le signe de sa charge, etc., peuvent
en être déduits). Les particules qui ne sont pas chargées
électriquement ne sont pas visibles, mais, grâce aux lois
de conservation, on peut déduire leur existence et leurs propriétés
à partir de de celles des autres particules intervenant dans le
processus étudié. |
Etre
et disparaître.
Un petit nombre
de particules sont stables. Elles durent indéfiniment à moins
d'avoir une interaction avec une autre particule. Les photons, particules
dépourvues de masse, font partie des particules stables. Il en est
de même du proton et de l'électron, qui sont des constituants
de l'atome. Le neutron est stable lorsqu'il est lié à une
autre particule du noyau atomique (à un proton ou à des protons
et d'autres neutrons); isolé, ill se désintègre en
environ un quart d'heure. Le neutron est une exception. La plupart des
autres particules instables (l'immense majorité) se désintègrent
dans des temps excessivement brefs (de l'ordre de 10-6
s à 10-23 s).
La notion de durée
de vie d'une particule a une valeur statistique; elle correspond
à une moyenne de son temps d'existence. Les durées de vie
des particules sont en relation avec la principale force à l'oeuvre
dans le processus dans lequel la particule est impliquée.
Lorsque
des particules se désintègrent en engageant l'interaction
nucléaire faible, elles ont des durées de vie qui sont souvent
comprise entre 10-6 et 10-13
secondes. La désintégration du neutron, avec sa durée
de vie exceptionnellement longue, implique aussi l'interaction faible :
en ce désintégrant, le neutron (n) fait apparaître
un proton (p), un électron (e–)
et un antineutrino ( ).
Ces deux dernières particules sont des leptons : la création
de leptons est un indice important de l'intervention de la force faible,
qui s'ajoute à ce que suggère la relative lenteur des processus
que cette force génère.
Les particules
se désintégrant via l'interaction électromagnétique
(plus intense que l'interaction faible) ont des durées de vie beaucoup
plus courtes, généralement d'environ 10-16
à 10-19 s, et impliquent la plupart
du temps au moins un photon ( ).
Quant
aux particules qui se désintègrent sous l'effet de l'interaction
nucléaire forte, elles ont des durées de vie souvent encore
plus courtes, pouvant descendre au dessous de 10-20
s,
voire 10-23 s (cas des résonances).
Ce temps peut être plus long, dans le cas de la désintégration
de noyaux atomiques. Ainsi la désintégration du noyau de
bérylium-8 (8Be) en deux particules
alpha ( ),
autrement dit en deux noyaux d'hélium (4He),
est-il un exemple de processus impliquant l'interaction forte. Il confère
au bérylium-8 une durée de vie de10-16
s. On peut noter qu'aucun lepton n'est créé dans un tel processus.
-
Les résonances
On connaît
des particules dont les durées de vie sont de l'ordre de 10-23
s. C'est un intervalle de temps trop court pour qu'elles puissent être
détectées directement, mais on déduit leur intervention
dans le processus étudié à partir de l'observation
des particules produites par leur désintégration.
Les particules dont
la vie est si courte, sont interprétés comme des états
excités d'autres particules (on parle dans ce cas de résonances),
qui reviennent à leur état fondamental sous l'effet de l'interaction
forte.
C'est Enrico Fermi
qui a découverte la première particule de ce type. Le physicien
utilisait le bombardement à diverses énergies de protons
par un faiseau de pions positifs ( +),
et constata un grand nombre d'interactions autour de 200 MeV. Il en déduisit
que les pions et les protons devaient se combiner brièvement
pour former une particule éphémère avant de se séparer
à nouveau, ou devaient du moins de résonner ensemble pendant
une courte période.
Cette nouvelle entité,
qui peut être vue comme une particule composite (baryon) d'un type
spécial, est désormais connue sous le nom de particule .
Des centaines d'autres résonances du même genre (états
excités de particules de masse inférieure) ont été
identifiées depuis. |
La désintégration
spontanée est une des modalité par lesquelles les particules
peuvent disparaître. On a vu plus haut que les particules peuvent
disparaître aussi selon un autre processus, l'annihilation d'une
paire particule-antiparticule. Ici, on a affaire à un cas particulier
de collision, mais toutes les collisions en général, à
condition que l'énergie en jeu soit suffisante, peuvent aboutir
à disparition de la ou les particules impliquées.
Les lois de conservation
auxquelles sont soumises les particules font que si une particule disparaît
d'autres particules sont alors créées. Les trois forces fondamentales
agissant à l'échelle des particules, encadrées par
ces lois de conservation, sont la clé de l'apparition ( = création)
des particules, de leur disparition ( = annihilation) et des phénomènes
qui peuvent les affecter entre ces deux extrêmes.
Dans le phénomène
de diffusion deux particules sont sensibles
à leur présence mutuelle (effet de la force qui s'exerce
entre elles), mais seules leur masse-énergie et leur quantité
de mouvement (modification de leur trajectoire) sont affectées
par l'interaction.
Les
lois de conservation.
Parmi les lois de
conservation, certaines sont bien connues à notre échelle.
Telles sont, par exemple, la conservation de l'énergie, de l'impulsion
( = quantité de mouvement), du moment cinétique,
etc. Ces lois restent impérieuses à l'échelle des
particules. D'autres lois, de caractère quantique doivent aussi
être ajoutées. Les plus communes sont sans doute la loi de
conservation du spin et celle de conservation de la charge électrique.
Ainsi, par exemple, lorsqu'une particule porteuse d'une charge électrique
positive - disons un proton - disparaît, la charge, elle, ne disparaît
pas. Or une charge suspendue dans le vide, ça n'existe pas (par
définition, une propriété est toujours la propriété
de quelque chose...) : il faut qu'elle soit attachée à une
nouvelle particule qui succède d'une manière ou d'une autre
au proton. La disparition d'une particule s'accompagne donc toujours de
l'apparition d'une ou de plusieurs autres particules, qui ensemble pourront
endosser des propriétés à conserver de la particule
disparue. On va voir que la conservation d'autres quantités attachées
aux particules élémentaires permettent de préciser
encore davantage les règles du jeu et de prédire, jusqu'à
un certain point, quelles seront les particules produites, et en tout cas
d'écarter les processus qui ne peuvent absolument pas avoir lieu.
Les processus dans
lesquels sont engagées les particules élémentaires
peuvent se noter selon des conventions analogues à celles que l'on
utilise pour écrire les réactions chimiques. Ainsi, l'annihilation
de d'une paire électron-position lors d'une collision pourra s'écrire
: e–
+ e+
2 .
On voit que dans ce processus la charge électrique est conservée;
la conservation de l'énergie est assurée par l'existence
des photons
(capables de transporter au moins une énergie équivalente
à la masse de l'électron et du positon).
La désintégration du neutron
(n), quant à elle produit un proton (p), un électron (e–)
et un antineutrino électronique ( )
selon le schéma n
p + e–
+
(désintégration ).
Des conclusions similaires peuvent être faites : la neutralité
électrique du neutron se retrouve dans celle des produits (l'antineutrino
est neutre, et la charge positive du proton est annulée par la charge
négative de l'électron). A ce stade on pourraît aussi
invoquer la loi de conservation de l'énergie et dire que l'antineutrino
est utile pour transporter sous forme d'énergie cinétique
le petit surplus d'énergie de masse qui apparaît à
la fin du processus. Mais cela n'expliquerait pas tout. D'autres lois de
conservation sont à l'oeuvre, comme celle qui veut qu'on ait autant
de baryons avant et après le processus (on dit que le nombre baryonique
est conservé), ou celle encore qui veut qu'un nombre associé
aux leptons soit le même lui aussi avant et après : selon
cette règle, le neutron compte pour 0, l'électron compte
pour +1 et un neutrino électronique aurait aussi été
compté pour +1, mais on a affaire ici à un antineutrino qui
compté pour -1. La somme des quantités associées aux
leptons (nombre leptonique électronique) est donc nulle
à l'arrivée, comme elle l'était au
départ. (On peut vérifier que le spin est également
conservé : 1/2 = 1/2 + 1/2 - 1/2). Certaines autres propriété
existent, qui se conservent quand intervient la force forte, mais pas quand
le processus et commandé par la force faible. On reviendra
sur ces points de façon plus détaillée dans la suite
de cette page.
Les forces en présence
Le
mécanisme de Yukawa.
Champs
et particules de champ.
Les physiciens se
préoccupent depuis longtemps de la manière dont les forces
sont transmises à distance (un des principaux reproches faits par
les Cartésiens à la loi de l'attraction universelle de Newton
relevait de ce questionnement). Le concept de champ de forces, sans apporter
de réponse véritable à la question permet de la reformuler.
Un tel champ, au sens de la physique classique, est une entité s'étendant
dans l'espace à partir d'un point défini comme sa source,
et qui permet de déduire en chaque point de l'espace la valeur de
la force exercée par cette source. Or, avec les concepts physiques
qui ont vu le jour dans les premières décennies du XXe
siècle, il est apparu qu'une particule pouvait aussi être
représentée par un champ. D'où l'hypothèse
raisonnable qu'un champ de force d'un type particulier pouvait aussi
se voir associer une particule d'un type qui soit propre à ce champ.
C'est bien l'idée que se font aujourd'hui les physiciens pour qui
les forces fondamentales sont portées par des particules spécifiques.
Encore a-t-il fallu, aussi dire par quel mécanisme l'action de la
force pouvait se faire sentir.
L'énigme
de la force forte.
L'explication est
venue quand il a fallu comprendre la nature de la force responsable de
la cohésion des noyaux atomiques. Au début des années
1930, les physiciens avaient une conception simple de la structure de la
matière et personne ne pouvait répondre à la
question suivante : puisque dans le noyau atomique les protons se repoussent
fortement du fait de leurs charges électriques de même signe,
quelle est la nature de la force qui maintient le noyau uni? Cette force
inconnue devait être beaucoup plus forte que tout ce que l'on connaissait
jusque-là, et elle ne devait s'exercer que sur de très petites
distances, car sinon on l'aurait déjà identifiée.
La nature de cette force, qui a gardé le nom de force nucléaire
forte, a été élucidée (au moins partiellement)
grâce à la théorie proposée en 1935 par Hideki
Yukawa (1907-1981), qui recevra le prix Nobel pour cette avancée
en 1949.
La
particule de Yukawa.
Selon Yukawa, la
force forte devait pouvoir être dérivée d'un champ
particulier associé à une particule à très
courte durée de vie, si courte que la force ne pouvait alors avoir
le temps de se propager très loin. La briéveté de
la durée de vie de la particule porteuse expliquait ainsi naturellement
la courte portée de la force forte; elle signifiait également
que la nouvelle particule, pour pouvoir se désintégrer et
disparaître ainsi, devait avoir une masse. (Une particule sans masse,
comme le photon, par exemple, ne peut se désintégrer spontanément
en autre chose, et peut donc parcourir une distance indéfiniment
grande, donnant ainsi une portée indéfiniment grande à
la force électromagnétique). Sur ces bases, Yukawa pouvait
même calculer approximativement la masse que devait avoir la nouvelle
particule pour répondre aux conditions du problème. Cette
masse, estimée à environ 200 fois celle de l'électron,
se situait donc entre celles du proton et du neutron et celle de l'électron,
et la particule de Yukawa, effectivement découverte par la suite,
est aujourd'hui connue sous le nom de pion ou de méson .
Pour Yukawa, si un
proton ressentait la force qu'exerçait sur lui un autre proton,
c'était que celui-ci lui adressait une de ces particules nouvelles,
un de ces pions. La force s'exerçant dans les deux sens, des pions
devaient aussi aller dans le sens opposé, et, au final, le mécanisme
expliquant la force forte (et partant toutes les autres forces s'exerçant
entre particules) devait être vu comme un échange de
particules porteuses de force. Restait un problème : comment ces
particules pouvaient-elle apparaître et disparaître sans violer,
dans l'intervalle, quelques lois impérieuses de la nature, à
commencer par la loi de conservation de l'énergie?
La solution apportée
par Yukawa et toujours acceptée aujourd'hui repose sur une notion
clé de la physique, les relations d'indétermination d'Heisenberg.
-
Violation
de la loi de conservation de l'énergie.
La dualité
onde-corpuscule, concept omniprésent à l'échelle quantique,
empêche que certaines quantité soient déterminées
simultanément avec la même précision. C'est-ce qu'expriment
les relations d'indétermination de Heisenberg. On peut déduire
de l'une de ces relations que la loi de conservation de la masse-énergie
peut être violée d'une quantité
pendant un temps .
Au cours de cet intervalle de temps aucun processus ne peut détecter
la violation. Cela permet la création temporaire d'une particule
de masse m, (m = /c²
). Plus la masse est grande (et plus le
est grand), plus la durée de vie de la particule doit être
courte. Cela signifie que la portée de la force est limitée,
car la particule ne peut parcourir qu'une distance limitée dans
un laps de temps limité (le maximum la distance est alors d
c , où
c
est la vitesse de la lumière). Le pion émis par un proton
doit être capturé par un autreproton avant d'atteindre cette
limite. Par conséquent, il ne peut pas être directement observé
( cela équivaudrait à une violation permanente de la conservation
de l'énergie de masse).
De telles particules
(comme le pion ci-dessus) sont appelées particules virtuelles,
car elles ne peuvent pas être directement observés.
Leurs effets, en revanche, sont bien réels.
La
découverte de la particule de Yukawa.
Dès 1936,
une nouvelle particule, d'une masse d'environ 106 Mev/c², a été
soupçonnée d'être la particule prédite par Yukawa.
Mais il s'est bientôt avéré que cette particule n'était
pas sensible à la force forte et ne pouvait donc pas jouer le rôle
attendu. Il s'agissait du muon, une version plus massive de l'électron.
La particule de Yukawa a finalement été découverte
en 1947, par Carl Anderson en étudiant les collisions entre les
rayons cosmiques avec des noyaux atomiques terrestres.
Il est cependant
apparu plus tard que la particule de Yukawa, le pion (un méson),
n'est pas véritablement la particule médiatrice de l'interaction
forte, entendue comme interaction fondamentale. Cela tient à ce
que les pions comme les protons ou les neutrons sont des particules composites,
et la force qui réunit entre eux les nucléons n'est qu'un
effet résiduel de la véritable force forte qui agit, elle,
entre les composants des nucléons et des mésons, c'est-à-dire
entre les quarks. Cette particule fondamentale médiatrice de la
force forte est le gluon. Il en existe huit variétés ou saveurs.
S'il y avait eu méprise
sur l'identité du médiateur, le mécanisme invoqué
par Yukawa n'en restait pas moins valable. Il est toujours pertinent pour
expliquer les forces fondamentales : elles sont toutes transmises par l'échange
d'une particule porteuse (un boson), exactement. comme ce que Yukawa avait
en tête pour la force nucléaire forte. Chaque particule porteuse
est une particule virtuelle - elle ne peut pas être observée
directement. On dit ainsi que les photons (virtuels) «-transportent
» la force entre les particules chargées électriquement;
de même, l'attraction entre deux quarks dans une particule composite
se produit lorsque deux quarks échangent des gluons. Et l'on pourrait
dire une chose similaire à propos des bosons W et Z, qui transportent
une force nucléaire faible.
Les
théories de jauge.
La première
théorie complète basée sur ces idées est celle
de l'électromagnétisme (électrodynamique quantique
ou théorie quantique des champs électromagnétiques)
élaborée par Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979), Julian Schwinger
(1918-1994) et Richard Feynman
(1918-1988) dans les années 1940. L'électrodynamique quantique
et les autres théories des interactions quantiques reposent d'un
point de vue mathématique sur des propriétés d'invariance
(appelées invariance de jauge ou symétrie de jauge) de certaines
quantités sous l'effet de transformations particulières que
l'on fait subir aux équations. Ces invariances sont l'expression
mathématique des lois de conservation qui verrouillent les phénomènes
physiques. On donne le nom théories de jauge à ces approches.
Les bosons porteurs des forces décrites par ces théories
ont reçu pour la même raison le nom de bosons de jauge (on
dit aussi particules de champ ou encore particules d'échange).
A ce jour, seules
les théories de l'électromagnétisme, de la force faible
et de la force forte entrent véritablement dans ce cadre. Les tentatives
pour exprimer la gravitation dans le cadre d'une théorie de jauge
(gravitation quantique) se sont heurtées à des problèmes
insurmontables (irruptions intempestives de quantités infinies).
Une particule hypothétique, dépourvue de masse, le graviton,
est toutefois postulée pour expliquer cette force.
Forces fondamentales
et bosons de jauge
Théorie
|
Interaction
(force)
|
Intensité
relative
|
Portée
(m)
|
Particules
porteuses
|
Nom |
Masse
au repos (MeV/c²) |
Durée
de vie (s) |
Chromodynamique
quantique |
Forte |
1 |
< 10-15 |
Gluons |
0 |
 |
Théorie
électrofaible |
Electro-
dynamique
quantique |
Electro-
magnétique |
10-2 |
 |
Photon |
0 |
 |
- |
Faible |
10-13 |
< 10-18 |
W± |
80,39 x 103 |
1,6x10-25 |
Z° |
91,19 x 103 |
1,32x10-25 |
Gravitation
quantique |
Gravitation |
10-38 |
 |
Graviton |
0 |
 |
Ces particules
sont de spin égal à 1, sauf le graviton, particule hypothétique,
qui devrait avoir
un spin égal à 2.
L'antimatière
Particules et antiparticules.
Dans les années
1920, Paul Dirac
(1902-1984) a été le premier à développer une
approche de la physique quantique qui intégrait les principes de
la relativité restreinte. En 1928, il donnaît ainsi un théorie
complète de l'électron relativiste qui expliquait l'origine
de son spin et de son moment magnétique. Cette théorie jetait
les bases de l'électrodynamique quantique, qui est la théorie
actellement admise de l'électromagnétisme. Elle avait aussi
un versant inattendu : l'équation relativiste décrivant l'électron
admettait aussi des solutions correspondant à une particule identique
mais de charge positive. Dans un premier temps, Dirac a cru pouvoir l'identifier
au proton, mais bientôt, notamment grâce à la contribution
de Robert Oppenheimer
(1904-1967), il a été en mesure d' affirmer qu'il s'agissait
plutôt d'une toute nouvelle particule : une particule de même
masse que l'électron, mais de charche électrique opposée,
autrement dit un électron chargé positivement. On a appelé
cette particule l'anti-électron ou positon, ou encore positron.
En 1932, Carl Anderson
(1905-1991), en utilisant les traces produite par les rayons cosmiques
dans une chambre à brouillard, a observé pour la première
fois les traces laissées par de particules de même masse que
l'électron (e-), mais déviées dans un sens
opposé par un champ magnétique (donc de charge positive),
et qui pouvaient être identifiées comme provoquées
par des antiélectrons (e+). La découverte
fut confirmée et le positon apparut comme le premier exemple connu
d'antimatière. On montra aussi que le positon est la même
particule que celle émise dans la désintégration +.
On prédit alors que d'autres particules devaient avoir leur antiparticule.
Après la construction des accélérateurs de haute énergie
dans les années 1950, de nombreuses autres antiparticules ont été
découvertes. C'est ainsi qu'en 1955 Emilio Segrè (1905-1989
) et Owen Chamberlain (1920-2006) découvrirent d'abord l'antiparticule
du proton ou antiproton, similaire au proton, mais de charge négative.
Peu après l'antineutron fut découvert.
La matière
et son double.
On sait aujourd'hui
qu'il existe une antiparticule pour chaque particule, non seulement pour
les fermions comme l'électron, le proton ou le neutron, mais aussi
pour les bosons. Une particule et son antiparticule ont la même
masse, le même spin intrinsèque, la même durée
de vie (du moins dans le modèle standard), etc. Elles se distinguent
par d'autres aspects :
Lorsqu'on
considère une particules chargée électriquement, son
antiparticule possède la charge électrique opposée
(par exemple, le positon est positif tandis que l'électron est négatif).
Il existe une certaine variété dans la manière de
nommer les antiparticules, et en particulier les particules chargées
: parfois, on utilise les signe + et - de la charge électrique pour
distinguer la particule de son antiparticule (l'électron e ou e-
a pour antiparticule le positon que l'on note e+;
le muons µ- a pour antiparticule l'antimuon que l'on note
µ+,
etc.), parfois, on utilise le symbole de la particule surmonté d'une
barre (le proton p a pour antiparticule l'antiproton noté )
et c'est la même convention qui est utilisée pour désigner
les antiquarks (par exemple le quark d a pour
antiparticule l'antiquark ).
Les signes + et - et la barre peuvent aussi se rencontrer ensemble (la
particule +
a
ainsi pour antiparticule -).
L'antiparticule d'une
particule diffère aussi par son moment magnétique et par
d'autres caractéristiques qui seront mentionnés plus bas
en parlant des lois de conservation. Ainsi, les particules neutres électriquement
ont aussi leur antiparticule. Citons le neutron n dont l'antiparticule
(antineutron) est notée ,
ou le kaon neutre K° dont l'antiparticule se note .
Certaines particules
neutres électriquement sont leur propre antiparticule. C'est
le cas du photon ,
du boson intermédiaire Z°, des mésons °
et °.
Une des questions actuelles de la physique est de savoir si les neutrinos
appartiennent aussi à cette catégorie (les fermions qui sont
leur propre antiparticule sont appelées particules de Majorana).
Annihilations et
créations de paires.
Lorsqu'une particule
et son antiparticule interagissent, elles s'annihilent, convertissant généralement
totalement leurs masses en énergie pure sous forme de photons gamma
(rayonnement de haute énergie ). Telle est l'annihilation électron-positon.
Dans ce processus l'électron et le positron disparaissent complètement
et deux photons sont produits à leur place. La production d'un seul
photon violerait la conservation de la quantité de mouvement. Les
deux photons se partagent aussi toute l'énergie des deux électrons
(leur énergie cinétique plus leur énergie de masse
2mec², où me
est la masse au repos d'un électron).
Antimatière
et médecine. L'annihilation électron-positon est utilisée
dans une technique imagerie médicale appelée tomographie
par émission de positons (TEP ou PET en anglais) couplée
à un scanner (PET-scan). Le patient reçoit une injection
d'un radiotraceur (une solution de glucose contenant une substance radioactive
qui se désintègre en raison de l'émission de positons),
qui est transporté dans tout le corps par le sang. Chaque fois qu'un
positon émis par la désintégration +
dans l'un des noyaux radioactifs, il est annihilé par un électron
dans le tissu environnant, ce qui entraîne l'émission de deux
photons gamma dans des directions opposées. Un détecteur
gamma qui entoure le patient détermine alors avec précision
la source des photons et, à l'aide d'un ordinateur, affiche une
image des sites où le glucose s'accumule. Le glucose est rapidement
métabolisé dans les tumeurs cancéreuses ou d'autres
lésions et s'accumule sur ces sites; il se concentre aussi
dans les régions actives du cerveau (comme celles qui sont impliquées
dans les fonctions du langage ou de la vue, par exemple). Le PET-scan peut
être utilisé comme outil de diagnostic de nombreuses maladies
du cerveau, dont la maladie d'Alzheimer.
La réaction e–+
e+
2
peut également se dérouler dans le sens inverse : deux photons
peuvent s'annihiler pour produire une paire d'électrons et de positons
( +
e–+ e+
).
Il se peut aussi qu'un seul photon produise une paire électron-positon
dans un processus appelé production de paires.
Dans ce
processus, un photon gamma d'énergie suffisamment élevée
interagit avec un noyau atomique A, et une paire électron-positon
est créée à partir de ce photon : +
A A + e–+
e+
(la présence du noyau est nécessaire pour satisfaire le principe
de conservation de la quantité de mouvement). Pour créer
une paire électron-positon, le photon doit posséder au moins
l'énergie totale au repos de cette paire, soit, au moins,
à 2 x mec² = 2 x 0,511.c² MeV = 1,22
MeV (où me est la masse de l'électron).
L'énergie d'un photon (E=h )
est convertie en énergie au repos (ER = mc²)
de l'électron et du positon (équivalence masse-énergie).
Et si le photon gamma possède un excès d'énergie en
plus de l'énergie au repos de la paire électron-positon,
ce surplus s'exprimera comme l'énergie cinétique des deux
particules.
Les
anti-atomes.
Lorsque une antiparticule
est crée (et a fortiori lorsqu'un édifice d'antimatière
est constitué) elle s'annihile très rapidement car notre
environnement est constitué presque exclusivement de matière.
Cependant, il est possible de contenir des particules d'antimatière
à grande échelle telles que les antiprotons en utilisant
des pièges électromagnétiques qui confinent les particules
dans un champ magnétique afin qu'elles ne s'annihilent pas avec
d'autres particules. Cela reste difficile. Les particules de même
charge se repoussent, donc plus il y a de particules contenues dans un
piège, plus il faut d'énergie pour alimenter le champ magnétique
qui les contient. Il n'est actuellement pas possible de stocker une quantité
importante d'antiprotons, par exemple.
Les mêmes forces
qui maintiennent ensemble la matière ordinaire assurent la cohésion
de l'antimatière. Dans les bonnes conditions, il est possible de
créer des anti-atomes. Dans les anti-atomes, les positons évoluent
autour d'un noyau chargé négativement composé d'antiprotons
et d'antineutrons. Des atomes d'anti-hydrogène,
constitués d'un antiproton et d'un antiélectron, ont également
été observés en 1995 au CERN. L'anti-oxygène
et même l'anti-molécule d'anti-eau ont aussi pu être
créés.
Où
est passée l'antimatière?
L'univers que nous
pouvons observer est presque exlusivement composé de matière.
Comment expliquer l'extrême rareté de l'antimatière?
Après tout, autant qu'on puisse le savoir, chaque fois que de la
matière est créée, une quantité égale
de d'antimatière l'est aussi. Un processus existe-t-il qui, au début
de l'histoire cosmique, a séparé spatialement la matière
et l'antimatière, éloignant cette dernière au-delà
de la région actuellement accessible à l'observation? Ne
faut-il pas plutôt, comme les physiciens le pensent généralement,
invoquer un mécanisme, intervenant lui aussi au tout début
de l'histoire cosmique, et introduisant une dissymétrie entre la
matière et l'antimatière? Si certaines particules d'antimatière
se désintègrent légèrement plus rapidement
que leur contrepartie de matière, un excédent de matière
est possible. Certaines théories autorisent effectivement ce scénario.
Classifications des
particules élémentaires
Les particules élémentaires
peuvent être classées de différentes manières.
On se réfère ordinairement à leur classification
selon leur propriété de spin et à celle selon leur
sensibilité aux forces fondamentales.
Classification
selon le spin.
Les particules de
matière peuvent être divisées en fermions et bosons
en fonction de leur spin.
Le
spin d'une particule est un nombre quantique abstrait attaché à
chaque particule et qui s'interprête comme son moment cinétique
intrinsèque (c'est l'analogue quantique de la mesure de la rotation
d'un objet macroscopique autour de son axe; le concept s'applique non seulement
aux particules composites, mais aussi aux leptons et aux quarks que l'on
suppose sans extension spatiale et donc pour lesquels on ne pourrait pas,
avec les concepts macroscopiques, parler de « rotation »).
La
valeur du spin s'exprime en unités -=
h/2 ;
où h est le symbole de la constante de Planck. le symbole
(h barre), d'usage très courant en physique, car permettant d'écrire
des formules plus lisibles, désigne la constante de Planck réduite,
ou constante de Dirac. Ajoutons qu'il est fréquent que
sous sous-entendue lorsqu'on parle du spin d'une particule, ainsi dira-t-on
simplement, par abus de langage, que telle particule a un spin de 1/2 ou
telle autre d'un spin de 2.
Fermions
et bosons.
Fermions et les
bosons ont des comportements collectifs différents.
Les
fermions. - Les fermions ont un spin demi-entier (1/2. ,
3/2. ,
...). Les électrons, les protons et les neutron sont des fermions.
Ces particules obéissent à la statistique de Fermi-Dirac.
Lorsque les fermions sont confinés dans une petite région
de l'espace, le principe d'exclusion de Pauli (1900-1958) stipule que deux
fermions ne peuvent occuper le même état quantique (une propriété
quelconque doit permettre de les différencier).
Les
bosons. - Les bosons ont un spin entier (0. ,
1.h, 2.
...). Le photon, à l'instar des autres particules responsables des
interactions, est un exemple de boson. Certaines particules de matière
(les mésons) sont aussi des bosons. Ces particules obéissent
à la statistique de Bose-Einstein.Contrairement à ce qu'il
advient avec les fermions, les bosons peuvent se trouver dans le même
état quantique alors qu'ils sont dans une même région
exiguë de l'espace. La technologie du laser, par exemple, exploite
cette propriété du photon. La superfluidité
de l'hélium à très basse température ( <
2,15 K) résulte elle aussi du fait que le noyau hélium (deux
protons [spin : 1/2 + 1/2] et deux neutrons [spin : 1/2 + 1/2]) est un
boson (spin total : [1/2 + 1/2] + [1/2 + 1/2] = 2).
L'indiscernabilité
des particules.
Le comportement
des fermions et des bosons en groupes peut être compris en termes
de propriété d'indiscernabilité.
Les particules sont
dites indiscernables si elles sont identiques les unes aux autres.
Par exemple, les électrons sont indiscernables parce que chaque
électron de l'univers a exactement la même masse et le même
spin que tous les autres électrons.
Si l'on permute deux
particules indiscernables dans la même petite région de l'espace,
le carré du module de la fonction d'onde (| |²)
, qui décrit ce système et qui peut être mesuré
est inchangé. Si ce n'était pas le cas, nous pourrions dire
si les particules avaient été commutées ou non et
la particule ne serait pas vraiment indiscernable. Les fermions et les
bosons diffèrent selon que le signe de la fonction d'onde ( )
- qui elle n'est pas directement observable - change ou non :
'
- (fermions
indiscernables),
'
+ (bosons indiscernables).
Les fermions sont dits
« antisymétriques par permutation » et les bosons sont
«-symétriques
par permutation ».
Le principe d'exclusion
de Pauli est une conséquence de la symétrie par permutation
des fermions.
La structure électronique
des atomes est fondée sur le principe d'exclusion de Pauli et est
donc directement liée à l'indiscernabilité des électrons.
Classification
selon les interactions.
Les fermions peuvent
aussi être divisés selon les interactions auxquelles ils participent,
c'est-à-dire selon les forces auxquelles ils sont sensibles. Ils
sont tous sensibles à la gravitation (même lorsqu'une particule
n'a aucune masse, elle possède une énergie...). Ils peuvent
aussi participer à l'interaction électromagnétique
(même dans le cas de particules sans charge électrique, comme
le neutron, qui possède un moment magnétique) et à
l'interaction faible. Mais le critère discriminant le plus pertinent
apparaît être la sensibilité à l'interaction
nucléaire forte.
On distingue alors
les hadrons, qui sont les particules sensibles à la force forte
et les leptons, qui n'y sont pas sensibles.
Les
hadrons.
Les hadrons sont
des particules composites. Ils sont constitués de quarks liés
entre eux par une force dont la force nucléaire forte qui s'exerce
entre hadrons est une expression. Le lien qui unit les quark est tellement
solide qu'ils ne s'observent jamais à l'état libre. Les quarks
sont considérés comme des particules fondamentales.
Les
quarks. - Il existe six quarks (on dit aussi : six saveurs
de quarks), divisés en deux groupes. Il s'agit des quarks u (up),
c (charm) et t (top ou truth), d'une part, et des
quarks d (down), s (strange) et b (bottom ou beauty),
de l'autre. Les membres d'un même groupe de particules partage les
mêmes propriétés mais diffère en masse. Par
exemple, la masse du quark top est beaucoup plus grande que celle
du quark charm, et la masse du quark charm est beaucoup plus
grande que celle du quark up.
La
charge électrique des quarks est fractionnaire (±1/3 ou ±2/3
charges élémentaires qe). Mais il n'y
a pas de quark libre : les quarks sont toujours liés entre eux de
telle sorte que dans la particule composite qu'ils forment la somme des
charges électriques soit toujours entière (positive ou négative)
ou nulle.
Selon que les hadrons
sont composés de deux où trois quarks, on les range respectivement
dans la catégorie des mésons ou dans celle des baryons.
Les
mésons sont des hadrons formés d'un quark et d'un anti-quark.
Par exemple, le méson +
est composé d'un quark up et d' un quark antidown
( +
=
u ).
Citons encore dans cette famille : les deux autres mésons
ou pions ( -
et °),
qui sont les moins massifs que le premier (masses d'environ 1,4 X 10²
MeV/c²), les trois mésons K, les particules upsilon et J/ .
Les mésons peuvent se désintégrer en leptons (électrons,
positrons, neutrinos) et photons, et ne laisser aucun hadron. Ils ont un
spin égal à zéro ou un (0 ou 1); contrairement aux
autres hadrons, ce sont donc des bosons.
Les baryons
sont composés de trois quarks. La matière ordinaire (protons,
neutrons) se compose de seulement deux types de quarks différents
(réunis par trois) : le quark up (charge électrique
: q = + 2/3) et le quark down (q = -1/3). Ainsi, un proton
(p) est-il composé de deux quarks up et d'un quark down
(p = uud, q = +1); quant au neutron (n), il est composé d'un quark
up
et de deux quarks down (n = udd, q = 0).
Les
protons et les neutrons, qui sont les constituants du noyau des atomes,
sont appelés nucléons. On connaît aussi des
baryons appelés hypérons. Parmi ceux-ci, on peut mentionner
les particules lambda ( ),
sigma, xi ( ) et
oméga ( ).
Le proton est le baryon
qui a la masse la plus faible. Ainsi, à l'exception du proton, tous
les baryons se désintègrent de telle sorte que les produits
finaux comprennent un proton. Par exemple, le
se désintègre en °
en 10-10 s environ. Le °
se désintègre ensuite en un proton et en -
en environ 3.10-10 s.
Le spin des baryons
prend toujours une valeur demi-entière (1/2 ou 3/2).
Les
leptons.
Les leptons (du
grec leptos, qui signifie « petit » ou « léger
») sont considérés comme des particules fondamentales
(particules indécomposables). Ils participent aux interactions faible,
électromagnétique et gravitationnelle, mais ne participent
pas à l'interaction forte.
On connaît
six leptons, qui correspondent à deux types de particules :
Le premier
comprend l'électron (e), et deux autres particules de charge
électrique négative qui lui sont similaires, mais qui
sont plus massives : le muon (µ) et tau ou tauon ( ).
e muon est plus de 200 fois plus lourd qu'un électron, le tauon,
découvert en 1975, est environ 3500 fois plus lourd que l'électron
(ou environ deux fois la masse du proton). Seul l'électron est stable.
Une fois créés, le muon et le tau se désintègrent
rapidement en particules plus légères via la force faible.
Le second se compose
de trois particules très élusives, qui n'interagissent que
par l'interaction faible, les neutrinos (on parle de trois saveurs
de neutrinos). Il y a un neutrino associé à l'électron,
le neutrino électronique ( ),
un neutrino associé au muon, le neutrino muonique ( )
et une neutrino associé au tauon, le neutrino tauique ( ),
découvert en 2000. Les études actuelles indiquent que les
neutrinos ont une masse excessivement faible mais non nulle.
Tous les leptons ont
un spin 1/2.
Les leptons sont
considérées comme des particules fondamentales parce qu'ils
n'ont pas de structure sous-jacente apparente. Ils n'ont pas non plus de
taille discernable au-dessus de celle que définit leur longueur
d'onde, soit au-dessus d'environ 10-18
m.
Récapitulatif
des particules fondamentales.
Si l'on range à
part le boson de Higgs, les particules fondamentales se répartissent
en deux groupes, les particules de matière, qui sont des fermions,
et les particules médiatrices des interactions, qui sont des bosons,
et parmi lesquelles ont pourrait aussi ranger le graviton, médiateur
hypothétique de la gravitation.
On distingue parmi
les particules de matière deux types de particules, les six quarks
et les six leptons (et leurs antiparticules respectives), qui eux-mêmes
peuvent s'organiser en trois familles analogues (colonnes verticales de
la rubrique des fermions dans le tableau ci-dessous). Chaque famille comporte
deux quarks, un lepton chargé électriquement et un lepton
neutre (neutrino). La première famille est celle de la matière
ordinaire, dont la plupart des choses sont composées. Les deux autres
(dont les particules sont de plus plus massives en allant de la gauche
vers la droite du tableau) représentent ce qu'on appelle la matière
exotique.
Aucune logique sous-jacente
n'est à chercher dans la manière dont on a rangé dans
le tableau les différentes particules porteuses des forces. L'interaction
électromagnétique concerne les leptons chargés électriquement
(electron, muon, tauon) et les quarks; l'interaction forte ne concerne
que les quarks. Les neutrinos ne sont sensibles qu'à l'interaction
faible (et à la gravitation). Toutes les particules sont sensibles
à la gravitation.
|
Fermions
(particules
de matière)
|
Bosons
(particules
médiatrices des interactions)
|
Quarks |
up
(u) |
charmé
(c) |
top
(t) |
photon
( )
Interaction
électromagnétique |
down
(d) |
étrange
(s) |
bottom
(b) |
gluon
(g)
Interaction
forte |
Leptons |
neutrino
électronique ( ) |
neutrino
muonique ( ) |
neutrino
tauique ( ) |
Boson
intermédiaire
neutre
(Z°)
Interaction
faible |
électron
(e) |
muon
( ) |
tauon
( ) |
Bosons
intermédiaires
positif
et négatif (W+,
W-)
Interaction
faible |
Lois de conservation
des particules
Une des idées
les plus importantes de la physique est que chaque fois que quelque chose
est possible, cela se produit immanquablement. Et si toutes les choses
possibles ne se produisent pas en même temps (l'univers, dans ce
cas, se serait écroulé en bien mois que deux jours...), c'est
parce que que certaines sont plus probables que d'autres. Les choses les
plus probables tendent à se produire plus tôt, les autres
se produisent plus tard. Si quelque chose ne se produit pas, c'est que
c'est interdit par une règle. Les lois de conservation font partie
de ces règles. Lorsqu'une particule est impliquée dans un
processus, ce sont les règles de conservation qui disent ce qui
est possible (avec un degré de probabilité déterminé
par la théorie et le calcul) et ce qui est impossible.
La physique classique
obéit déjà à certaines certaines lois
de conservation. Par exemple, la charge est conservée dans tous
les phénomènes électrostatiques. La charge perdue
à un endroit est gagnée dans un autre car la charge est transportée
par des particules. Aucun processus physique connu ne viole la conservation
de la charge. Il existe aussi des preuves solides que l'énergie,
la quantité de mouvement et le moment angulaire obéissent
à des lois de conservation. Toutes ces lois régissent aussi
le monde des particules élémentaires, qui ajoute à
sa législation la nécessité de conserver des quantités,
appelées nombres quantiques, qui ne concernent que les particules,
tels sont les nombres leptoniques L, le nombre baryonique B, ou l'étrangeté
S, pour ne citer que les plus importantes.
Les nombres
quantiques peuvent être des grandeurs dimensionnées, c'est-à-dire
s'exprimant en certaines unités. C'est le cas du spin exprimé
en unités
( = constante de Planck réduite) ou de la charge électrique
s'exprimant en unités qe (= charge de l'électron
ou charge élémentaire). On sous-entend couramment
et qe. D'autres nombres quantiques n'ont pas de dimensions
(ce sont des nombres purs), comme par exemple le nombre baryonique (= nombre
de baryons) ou les différents nombres leptoniques.
Conservation du nombre
leptonique.
Il n'existe
que six leptons (et leurs six antiparticules). Trois leptons sont chargés
électriquement (e–, µ–, –)
et trois sont neutres (neutrinos). L'électron est associé
au neutrino électronique ( ),
le muon au neutrino muonique ( )
et le tauon au neutrino tauique ( ).
Ces associations définissent trois familles ou générations
de leptons dont les membres peuvent être caractérisés
par un paramètre particulier intervenant lors des interactions faibles
et appelé nombre leptonique. Il y a ainsi trois nombres leptoniques
différents : Le nombre leptonique électronique ,
le nombre leptonique muonique
et le nombre leptonique tauique
= 1 pour l'électron et le neutrino électronique, =
-1 pour leurs antiparticules, et
= 0 pour toutes les autres particules.
= 1 pour le muon et le neutrino muonique,
= -1 pour leurs antiparticules et 0 pour toutes les autres particules.
= 1 pour le tauon et le neutrino tauique;
= - 1 pour leurs antiparticules, et
= 0 pour toutes les autres particules.
La conservation des
nombres leptoniques stipule que lorsqu'une réaction ou une désintégration
se produit, la somme de chacun des nombres leptoniques avant le processus
doit être égale à la somme de chacun des nombres de
leptoniques après le processus. Chacune de ces quantités
doit être conservée séparément.
Les six leptons
Nom
(et
symbole) |
Masse
au
repos
(MeV/c²) |
Charge |
 |
 |
 |
Durée
de vie
(s) |
Electron
(e–) |
0,511 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
(*) |
Neutrino
électronique ( ) |
<
0,09 eV/c² |
0 |
1 |
0 |
0 |
 |
|
Muon
( –) |
105,7 |
-1 |
0 |
1 |
0 |
2,2
x 10-6 |
Neutrino
muonique ( ) |
<
0,27 |
0 |
0 |
1 |
0 |
 |
|
Tauon
( –) |
1777 |
-1 |
0 |
0 |
1 |
2,91
x 10-13 |
Neutrino
tauique ( ) |
<
0,31 |
0 |
0 |
0 |
1 |
 |
Spin
= 1/2 (ce sont des fermions);Nombre baryonique B = 0; Etrangeté
S = 0.
(*)
Le symbole
signale les particules stables. Les leptons sont divisés en trois
familles (ou trois générations), chacune composée
d'un lepton chargé électriquement et du neutrino qui lui
est associé.
Pour illustrer cette
loi de conservation, considérons le processus de désintégration
en deux étapes suivant :
+
µ+ +
µ+
e+ +
+ 
Dans la première
désintégration, tous les nombres leptoniques pour +
sont égaux à 0, puisque les les pions ne sont pas des leptons.
Mais pour les produits de cette désintégration, on a :
= -1 pour µ+ et
= 1 pour .
La somme de ces deux nombres (-1) + (1) est égale à 0.
Par conséquent, le nombre leptonique muonique est conservé.
Aucun électron ou tauon n'est impliqué dans cette désintégration,
donc
= 0 et
= 0 pour la particule initiale et tous les produits de désintégration.
Ainsi, les nombres leptoniques électronique et tauique sont également
conservés.
Dans la seconde désintégration,
µ+ a pour nombre leptonique muonique
= -1, alors que le nombre leptonique muonique net des produits de désintégration
est 0 + 0 + (-1) = -1. Ainsi, le nombre leptonique muonique est conservé.
Le nombre leptonique électronique est également conservé,
puisque
= 0 pour µ+, alors que le nombre leptonique électronique
net des produits de désintégration est (-1) + 1 + 0 = 0.
Enfin, comme aucun
tauon n'est impliqué dans ce désintégration, le nombre
leptonique tauique, nul au départ comme à l'arrivée,
est également conservé.
-
Oscillation
et masse des neutrinos
Dans les années
1980, quand les astrohysiciens se sont rendu compte qu'ils détectaient
moins de neutrinos en provenance du Soleil que ce que prédisaient
leurs modèles. Le tiers de ce qui était attendu.
Une possibilité
était que les neutrinos, au cours de leur parcours entre le Soleil
et la Terre, oscillaient. Produits en tant que neutrinos électroniques,
ils se transformaient sans cesse en l'une au l'autre saveur possible .
Ainsi la probabilité de détecter un neutrino de saveur
donnée (neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino
tauique) à un un moment donné était d'un tiers.
L'oscillation des neutrinos expliquait qu'on ne capte donc au final qu'un
tiers des neutrinos électroniques produits.
Or la théorie
prévoit qu'une telle oscillation n'est possible que si au moins
un des types de neutrinos possède une masse. Longtemps, il avait
été admis que les neutrinos en sont dépourvus. Et,
même si, l'hypothèse que cette masse soit très faible,
mais non nulle, a avait déjà été émise
à la fin des années 1950 par Bruno Pontecorvo (1913-1993),
la question revêtait une pertinence nouvelle.
De nombreuses expériences
menées depuis ont conclu effectivement à l'oscillation des
neutrinos. La détermination de leur masse est cependant restée
difficile, mais il semble admis aujourd'hui que la somme des masses des
trois neutrinos pourrait se situer, en ordre de grandeur, au maximum autour
de 0,1 eV/c². Au moins un type de neutrino devrait avoir une masse
supérieure à 0,04 eV/c².
De tels résultats
impliquent que, dans certaines circonstances, les nombres leptoniques ne
sont pas conservés. La somme des trois nombres leptoniques reste,
elle, conservée. |
D'autres
exemples.
On pourra vérifier
sur les trois exemples suivants que les nombres leptoniques sont conservés.
Prédit
dès 1931 par Wolfgang Pauli, le neutrino (en fait l'antineutrino
électronique dans le cas présent) a été découvert
expérimentalement en 1956 à partir de l'étude de la
désintégration du neutron, selon le schéma n
p + e +
(désintégration ).
Lorsque le muon
a été découvert dans les rayons cosmiques; son mode
de désintégration s'est avéré être µ–
e– +
+ .
De même,
lorsque les particules
sont créées, elles se désintègrent d'une
manière similaire aux muons : un de leurs modes de désintégration
répond à la formule –
µ– +
+ . Le tauon
est connu depuis 1975, mais le neutrino tauique n'a pu être observé
qu'en 2000.
Conservation du nombre
baryonique.
On vient de voir
le mode de désintégration du neutron responsable de la radioactivité .
A ce point, on pourait envisager d'autres modes de désintégration,
tels que, par exemple celle qui suivrait le schéma n
e+ + e–.
Aucune loi de conservation considérée jusqu'à présent
ne s'oppose à ce processus : la charge électrique et les
nombres leptoniques sont conservés (et on peut imaginer un contexte
dans lequel l'énergie et l'impulsion le sont aussi). Une telle réaction
n'a cependant jamais été observée. Pour rendre compte
de cela, on introduit une nouveau nombre quantique, celui-ci attaché
aussi à toutes les particules, mais qui prend une valeur non-nulle
seulement pour les baryons. Il s'agit du nombre baryonique B :
B = 1
pour les baryons; B = -1 pour les anti-baryons, et donc B= 0 pour toutes
les autres particules.
Loi de conservation
stipulera que le nombre baryonique est conservé (en plus de tous
les autres nombres) lors de tous les processus (réaction nucléaire,
désintégration) dans lesquels sont impliquées les
particules. On peut vérifier que la désintégration
du neutron selon n p
+ e +
conserve le nombre baryonique. De même pour le processus de collision
proton-antiproton p + 
p + p +
+
qui satisfait lui aussi la loi de conservation du nombre baryonique
(nul avant et après l'interaction) : 1 + (-1) = 1+1 + (-1)
+ (-1) = 0.
Si le nombre baryonique est conservé, le proton, qui est le baryon
le moins massif, doit être absolument stable (= il ne peut pas se
désintégrer spontanément). Cependant, certaines théories
actuellement élaborées afin d'unifier les différentes
les interactions fondamentales (V. plus bas le paragraphe sur les théories
supersymétriques) admettent que le nombre baryonique puisse ne pas
être absolument conservé. Le proton serait alors instable.
Conservation de l'étrangeté.
À la fin
des années 1940 et au début des années 1950, des expériences
sur les rayons cosmiques ont révélé l'existence de
particules qui n'avaient jamais été observées sur
Terre. Ces particules étaient produites lors de collisions de pions
avec des protons ou des neutrons dans l'atmosphère. Leur production
et leur décomposition étaient inhabituelles.
Ces particules
étaient produites dans les interactions nucléaires fortes
entre des pions et des nucléons, et l'on pouvait en déduire
qu'on avait affaire à des hadrons; cependant, leur désintégration
était médiée par l'interaction nucléaire faible
à action beaucoup plus lente. Leur durées de vie étaient
de l'ordre de 10-10 secondes (cas, par
exemple, des particules , +,
et ) à
10-8 s (exemple : kaon positif K+),
alors que la durée de vie typique d'une particule qui se désintègre
via l'interaction nucléaire forte est plutôt de l'ordre de
10-23
s à 10-20 s.
Ces particules
étaient également inhabituelles car elles étaient
toujours produites par paires dans les collisions pion-nucléon.
Voici
un exemple de ce qu'on observe ordinairement : la production via
l'interaction forte de la paire 0
et K0 résulte de la collision d'un
pion négatif et d'un proton : –+
p  0
+ K0. Chacune des particules produite
se désintègre ensuite par l'interaction nucléaire
faible, l'une selon le schéma : 0  –+
p, pour l'une; et pour l'autre, selon K0  +
+ –.
Or, si l'on ne devait prendre en compte que les lois de conservation connues
jusqu'ici, rien ne s'opposerait à ce que la réaction suivant
puisse s'observer-: –+
p n + K0
(on
peut vérifier que la charge électrique et les nombres leptoniques
et baryonique sont conservés). Or cela n'arrive jamais.
Pour ces raisons, et
aussi parce qu'aucun processus physique ne semblait les rendre nécessaires
(les processus auxquels elle participaient aurait pu se produire à
l'identique sans elles), ces particules nouvellement découvertes
ont été décrites comme étranges. Si
une réaction telle que –+
p n + K0
n'est
jamais observée, c'est parce qu'il doit exister une loi qui assure
la conservation d'un nouveau nombre quantique appelé l'étrangeté,
dont le sympole est S.
-
Les particules étranges
sont toutes des particules composites (hadrons). On verra plus loin que
leur étrangeté tient à ce qu'elles contiennent
toutes au moins un quark particulier, que l'on a nommé en toute
logique le quark s ou quark étrange ( = strange en anglais).
Ainsi le nombre quantique S est-il défini comme le nombre de quark
s contenus dans la particule, assorti des signes plus ou moins selon que
l'on a affaire à une particule ou à son antiparticule.
S = 0 pour toutes les particules qui ne contiennent pas de quark étrange.
Il
existe un cas particulier, où la particule est bien composée
de quarks s, mais où l'étrangété S n'apparaît
pas : c'est le cas du méson ,
découvert en 1962, composé du quark étrange s et de
l'antiquark étrange :
(
= s et donc S =
(-1) +1 = 0...).
S = ±1 pour
les mésons étranges (kaons).
S = ±1,
±2 ou ±3 pour les baryons étranges (S =
±1 pour les particules
et ; S =
±2 pour les particules ,
et S = ±3 pour les ).
L'étrangeté
est conservée par la force nucléaire forte, qui régit
la production de la plupart de des particules étranges, mais elle
n'est pas conservée par la force nucléaire faible.
Ainsi,
par exemple dans la réaction : –+
p  0
+ K0, l'état initial correspond-il
à S = 0 et l'état final à (-1) + (+1) = 0. En revanche
pour- :
0  –+
p, on a S = 1 pour l'état initial et S =0 pour l'état final;
et pour
K0  +
,
on a de la même façon même a S = - 1 pour l'état
initial et S = 0 pour l'état final.
Historiquement, la conservation
de l'étrangeté a été le premier exemple connu
d'une loi de conservation dont le champ d'application est seulement partiel.
On va voir qu'un autre nombre quantique, appelé le charme,
se conserve lui aussi seulement partiellement. La première
particule
charmée (c'est-à-dire de charme non nul) a été
identifiée en 1974. Cette découverte a joué un rôle
important dans la consolidation de la théorie des quarks dont il
va être question maintenant.
Exemples de hadrons
Catégories
|
Nom |
symbole |
Masse
au
repos
(MeV/c²) |
Charge |
B |
S |
Durée
de
vie (s) |
Mésons
Spin
entier : 0
ou
1 (J/Psi et Upsilon) |
Pions |
+ |
139,6 |
+1 |
0 |
0 |
2,60
x 10-8 |
° |
135,0 |
0 |
0 |
0 |
8,4 x 10-17 |
Kaons |
K+ |
493,7 |
+1 |
0 |
0 |
1,24
x 10-8 |
K° |
497,6 |
0 |
0 |
0 |
0,9
x 10-10 |
Eta |
° |
547,9 |
0 |
0 |
0 |
2,53
x 10-19 |
J/Psi |
J/ |
3100 |
0 |
0 |
0 |
7,1
x 10-21 |
Upsilon |
 |
9460 |
0 |
0 |
0 |
1,2
x 10-20 |
Baryons
Spin
demi-entier :
1/2
ou 3/2 ( –). |
Nucléons |
Proton |
p |
938,3 |
+1 |
1 |
0 |
 |
Neutron |
n |
939,6 |
0 |
1 |
0 |
882 |
Hypérons |
Lambda |
° |
1115,7 |
0 |
1 |
-1 |
2,63
x 10-10 |
Sigma |
+ |
1189,4 |
+1 |
1 |
-1 |
0,8 x 10-10 |
° |
1192,6 |
0 |
1 |
-1 |
7,4 x 10-20 |
– |
1197,4 |
-1 |
1 |
-1 |
1,48 x 10-10 |
Xi |
° |
1314,9 |
0 |
1 |
-2 |
2,9 x 10-10 |
– |
1321,7 |
-1 |
1 |
-2 |
1,64 x 10-10 |
Oméga |
– |
16,72,5 |
-1 |
1 |
-3 |
0,84 x 10-10 |
Nombres leptoniques
=
=
= 0
Les quarks
Au début des années 1960, les
physiciens avaient découvert de nombreuse nouvelles particules (les
hadrons) et se trouvaient dans une situation similaire à celle qu'avaient
connu avant eux les chimistes devant la profusion de corps simples. Les
chimistes avaient réussi, à travers la classification périodique
des éléments, à découvrir un principe d'ordre
qui trouvait son explication dans la structure des atomes. Il s'agissait
désormais de découvrir à quel
principe d'ordre obéissaient les particules élémentaires.
La solution a été élaborée en 1963, indépendamment
par Murray Gell-Mann (1929-2019) et George Zweig (né en 1937),
qui ont découvert l'équivalent de leur « classification
périodique », en inscrivant les relations qui existaient entre
hadrons alors connus dans un schéma offert par la la théorie
mathématique des groupes. Cet ordonancement suggérait (mais
on s'en doutait déjà) que les hadrons n'étaient pas
vraiment fondamentaux et qu'ils étaient constitués à
partir de combinaisons de seulement trois particules ponctuelles, plus
fondamentales, auxquelles Gell-Mann a donné le nom de quarks,
d'après un mot tiré d'un roman de James
Joyce. Zweig appelait
as (aces en anglais) ces mêmes
particules.
-
. Le
passage du roman de James Joyce Finnegans Wake (1939),
dans
lequel Murray Gell-Mann a puisé le mot quark,
qui
serait une forme ancienne du verbe to croak = croasser.
A l'époque
trois types (ou saveurs) de quarks seulement (auxquels s'ajoutaient leurs
trois antiquarks) permettaient de rendre compte de tout le « zoo
des particules » connues, en tout cas de tous les baryons et de tous
les mésons. Il s'agissait des quarks appelés up (u),
down
(d) et strange (s).
La théorie
confère aux quarks un spin demi-entier : ce sont donc des fermions.
Tous les mésons ont un spin entier tandis que tous les baryons ont
un spin demi-entier. Par conséquent, les mésons doivent être
constitués d'un nombre pair de quarks tandis que les baryons doivent
être constitués d'un nombre impair de quarks. De fait, les
mésons sont constitués d'un quark (spin 1/2) et d'un antiquark
(spin -1/2) et le spin total est donc 0. Le proton, qui est un exemple
de baryon, est composés de trois quarks, deux de même spin
(1/2+1/2) et un troisième de spin opposé (-1/2); au
total cela fait un spin de 1/2.
Puisque les baryons
sont composés de trois quarks, le nombre baryonique d'un quark doit
être fractionnaire : B = 1/3. Mais, la proposition la plus radicale
de Gell-Mann et Zweig était que les quarks avaient en outre des
charges électriques fractionnaires (± 2/3 et ±1/3),
alors que toutes les particules directement observées ont des charges
entières ou nulles (multiples entiers la charge de l'électron,
qe, l'unité de charge).
La valeur
fractionnaire du quark ne viole pas le fait que qe
(la charge de l'électron) soit la plus petite unité de charge
observée, car un quark isolé ne peut pas exister, du moins
aux températures ordinaires.
Le neutron est
constitué de charges dont la somme est égale à zéro
mais qui, en se déplaçant en son sein, produisent son moment
magnétique. (Le moment magnétique du neutron, connu depuis
longtemps, a été une des raisons qui avaient déjà
fait soupçonner son caractère composite)
Les
six quarks.
La théorie
à trois saveurs de quarks (u, d, s) de Gell-Mann et Zweig est appelée
le modèle original des quarks. Les découvertes faites depuis
1963 ont nécessité trois saveurs de quark supplémentaires
: les quarks charmé (c), bottom (b) et top (t).
De même
qu'un quark u pouvait être associé a un quark d, après
la découverte du quark s, la théorie prédisait l'existence
d'un quark qui pourrait lui être associé, le quark c (quark
charmé). La première particule contenant un tel quark a été
découverte indépendamment et presque simultanément
en novembre 1974, par deux groupes (l'un dirigé par C. C. Ting au
Brookhaven National Laboratory et l'autre par Burton Richter à l'accélérateur
linéaire de Stanford (SLAC). Il s'agissait d'un méson dont
la sous-structure était clairement .
Il a été nommé J par un groupe et psi ( )
par l'autre, et il est maintenant connu sous le nom de méson J/ .
Depuis, de nombreuses particules contenant le quark charmé ont été
découvertes.
L'histoire s'est
rapidement répétée. En 1975, des chercheurs de l'Université
de Stanford ont apporté des preuves de l'existence d'un nouveau
lepton, le tauon ( ),
suggérant l'existence d'une troisième famille de leptons,
à laquelle aurait correspondu une troisième famille de quarks.
C'est ainsi qu'a émergé l'hypothèse de l'existence
de deux nouveaux quarks, les quarks, t (top = sommet ou truth
= vérité) et b (bottom = fond ou beauty = beauté).
En 1977, la preuve
de l'existence du quark b a été apportée par les chercheurs
du Fermilab, qui ont signalé la découverte d'un nouveau méson
très lourd, l'upsilon ( )
dont il a été démontré qu'il était composé
d'un d'un quark bottom et d'un quark antibottom ou
(la configuration était tout à fait analogue à celle
du J/
qui lui aussi est composé d'un quark et de son antiquark : le fait
de n'impliquer qu'une saveur unique de quarks permet une mise en évidence
plus facile des caractéristiques de ces quarks). En mars 1995,
des chercheurs du même laboratoire, utilisant le Tévatron
(un accélérateur circulaire fermé en 2011), ont annoncé
la découverte du quark t complétant le tableau actuel de
six quarks, tel qu'il apparaît ci-dessous.
--
Les six quarks
Nom
(et symbole) |
Charge
(e) |
S |
c |
b |
t |
Masse
(Gev/c²) |
Down
(d) |
-1/3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,008 |
Up
(u) |
+2/3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,005 |
|
Etrange
(s) |
-1/3 |
-1 |
0 |
0 |
0 |
0,50 |
Charmé
(c) |
+2/3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1,6 |
|
Bottom
ou Beauty (b) |
-1/3 |
0 |
0 |
-1 |
0 |
5 |
Top
ou Truth (t) |
+2/3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
173 |
Tous les
quarks ont un spin s = 1/2 et un nombre baryonique B = 1/3. Ils ont aussi
tous leur antiparticule (de mêmes spin et masse et de charge électrique
opposée) caractérisée par des nombres quantiques (charge,
B, S, c, b et t) de signes opposés.
Le quarks u est
stable; le quark d a une durée de vie d'environ 900 s (= la durée
de vie du neutron). les autres sont instables, mais leurs durée
de vie sont estimées être de l'ordre de 10-8
s pour le quark s et de 10-12 s pour les
quarks c et b; le quark t a une durée de vie de l'ordre de 10-25
s.
Les masses des
quarks ne sont connues qu'approximativement, car elles ne sont pas mesurables
directement. Elles doivent être déduites des masses des particules
que ces quarks forment en se combinant.
Des
preuves! on veut des preuves!
Lorsque Gell-Mann
et Zweig ont proposé les trois saveurs originales de quark, les
particules correspondant à toutes les combinaisons de ces trois
n'avaient pas été observées. Tout comme cela avait
été le cas dans le tableau périodique des éléments,
toutes les cases n'étaient pas remplies. Ainsi, manquait-il, par
exemple, la particule composée de trois quarks étranges (sss),
que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de particule –.
Mais la théorie des quarks permettait de prévoir, non seulement
son étrangeté, mais aussi son spin, sa charge électrique,
sa masse et sa durée de vie approximatives. Il devait donc être
possible de l'identifier expérimentalement, et sa découverte
n'a d'ailleurs pas tardé (1964, Bookhaven National Laboratory).
Ce n'était pourtant là qu'une preuve indirecte de l'existence
des quarks.
-
Des indications
expérimentales plus solides de l'existence de quarks sont ont été
produites grâce à une série d'expériences réalisées
avec l'accélérateur linéaire de Stanford
(SLAC) et au CERN. Dans les deux cas, il s'agissait de sonder la structure
du proton par des expériences de difffusion, à la manière
dont Rutherford
(1871-1937), une soixantaine d'années plus tôt, avait étudié
la structure interne du atome avec ses expériences de diffusion
de particules .
Les expériences du SLAC, menées dès 1967, reposaient
sur le bombardement des protons par des électrons hautement accélérés.
Elles ont montré que certains électrons étaient déviés
à de très grands angles, indiquant l'existence de trois petits
centres de diffusion dans le proton. La distribution des déviations
constatées était cohérente avec la dispersion des
électrons à partir de sites ayant un spin 1/2, le spin des
quarks. Les observations menées dans la foulée au CERN, ont
quant à elles, concerné la diffusion de neutrinos à
la place des électrons, et elles ont elles ont aussi mis en évidence
l'existence de minuscules centres de diffusion. Dans les deux cas, les
résultats suggèraient pour les particules diffusantes des
charches électriques en accord avec le modèle des quarks.
Les expériences
menées depuis, impliquant des énergies beaucoup plus
élevées et donc des résultats beaucoup plus précis,
n'ont fait que confirmé les résultats précédents.
Mais il notable, qu'à ce jour et peut-être encore pour longtemps,
il n'a pas été possible d'observer un quark isolé.
Aux énergies aujourd'hui accessibles, les quarks restent toujours
liés à d'autres quarks. La force forte est vraiment forte
: dans la théorie dont elle relève et qui rend compte de
cette propriété, on parle du confinement des quarks.
Les interactions entre quarks les maintiennent dans une très petite
région de l'espace, dans laquelle, cependant, ils sont libres de
ce déplacer. La théorie connaît cette deuxième
propriété sous le nom de liberté asympotique.
Ajoutons qu'il existe
aussi des preuves indirectes de l'existence de gluons dans les nucléons.
Lorsque des électrons de haute énergie sont diffusés
par des nucléons, révélant ainsi la présence
des quarks, les impulsions de ces quarks sont plus petites qu'elles
ne le seraient s'il n'y avait pas de gluons. Cela signifie que les gluons
transportant la force entre les quarks portent également une certaine
quantité de mouvement.
A défaut,
de pouvoir observer des quarks véritablement libres, les physiciens
du CERN pensent avoir avoir mis en évidence, en 2000, grâce
à des collisions de noyaux de plomb, un plasma formé de quarks
et de gluons, dans lequel les quarks ne forment donc aucun hadron. Les
études et du plasma quark-gluons continuent d'être réalisées,
notamment grâce au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC)
de Brookhaven.
Les combinaisons
de quarks.
Comme on l'a dit,
les quarks se lient par trois pour former les baryons ou par deux (paire
quark-antiquark) pour former les mésons.
Les
baryons.
Les baryons constituent
ce qu'on appelle la matière baryonique. La matière baryonique
ordinaire, celle qui forme les noyaux des atomes, est représentée
par les nucléons (proton et neutron). Les autres baryons constituent
la matière baryonique exotique (catégorie dans laquelle on
range aussi des particules hypothétiques qui possèdent au
moins un baryon dans leur composition). Le reste de la matière (leptons
et éventuellement particules, dites exotiques, prévues par
certaines théories) forment la matière non-baryonique.
Exemples de baryons
Nom
(et symbole) |
Sous-structure
(Quarks) |
Charge
(e) |
Spin
( ) |
Masse
(GeV/c²) |
Durée
de vie
(s) |
Proton
(p) |
uud |
1 |
1/2 |
0,938 |
 |
Neutron
(n) |
udd |
0 |
1/2 |
0,940 |
886 |
Delta++
( ++) |
uuu |
2 |
3/2 |
1,232 |
0,6 x 10-23 |
Delta+( +) |
uud |
1 |
3/2 |
1,232 |
0,6 x 10-23 |
Delta°( °) |
udd |
0 |
3/2 |
1,232 |
0,6 x 10-23 |
Delta–( –) |
ddd |
-1 |
3/2 |
1,232 |
0,6 x 10-23 |
Lambda°( °) |
uds |
0 |
1/2 |
1,116 |
2,63 x 10-10 |
Sigma+( +) |
uus |
1 |
1/2 |
1,189 |
0,8 x 10-10 |
Sigma°
( °) |
uds |
0 |
1/2 |
1,192 |
7,4 x 10-20 |
Sigma–
( –) |
dds |
-1 |
1/2 |
1,197 |
1,48 x 10-10 |
Xi–
( –) |
dss |
-1 |
1/2 |
1,321 |
1,64 x 10-10 |
Xi°
( °) |
uss |
0 |
1/2 |
1,315 |
2,9 x 10-10 |
Oméga–
( –) |
sss |
-1 |
3/2 |
1,672 |
0,82 x 10-10 |
Lambda
charmé ( c+) |
udc |
1 |
1/2 |
2,285 |
2,0 x 10-13 |
Lambda
bottom ( b°) |
udb |
0 |
1/2 |
5,620 |
1,2 x 10-12 |
Oméga–
bottom ( b-) |
ssb |
-1 |
1/2 |
6,054 |
1,13 x 10-12 |
La matière
baryonique ordinaire (protons, neutrons) est constituée des seuls
quarks u et d.
Un seul
baryon est stable, le proton. Le neutron, stable lorsqu'il est lié
au proton dans les noyaux atomiques, se désintègre spontanément
en un peu moins d'un quart d'heure. Les autres baryons ont une durée
de vie beaucoup courte, souvent d'un dix-milliardième de seconde,
ou bien plus courte encore.
Parmi les particules
dont l'existence est la plus brève, on remarque les particules delta.
Les baryons delta plus ( +)
et delta neutre ( °)
ont la même structure sous-jacente que le proton et le neutron, respectivement.
Ces particules se distinguent des nucléons par leur spin total qui
est de 3/2 et non de 1/2, aussi bien que par leur masse : la masse
du +
est 1,3134 fois la masse du proton, et celle du delta zéro ( 0)
avec un spin 3/2 est 1,3106 fois la masse du neutron. C'est l'énergie
associée au spin (ou moment cinétique) de la particule qui
contribue à son énergie de masse. Pour le reste, ces particules
apparaissent comme des variantes (états excités) des nucléons.
On a vu plus haut que de telles particules sont appelées résonances.
Certaines
particules ont des masses identiques ou très proches et même
spin et ne semblent différer que par la charge. C'est le cas, par
exemple, du proton et du neutron (doublet) ou encore, dans notre tableau,
des particules sigma (triplet) ou delta (quadruplet). Ce constat conduit
à introduire un nouveau nombre quantique, l'isospin (aussi
appelé spin isotopique ou spin isobare), noté I, qui permet
alors de différencier les particules appartenant à un même
multiplet. Selon Heisenberg, à l'origine de cette notion,
le proton et neutron pouvaient être considérés comme
deux états d'isospin différent d'une unique particule; nommée
nucléon. Cette conception a évolué : aujourd'hui,
l'isospin est des éléments qui permettent la classification
des hadrons, et, partant, la détermination des propriétés
de l'interaction forte.
De même,
qu'il existe des baryons possédant deux quarks identiques par leur
saveur, il n'y a pas d'inconvénient à ce qu'un baryon puisse
aussi être constitué de trois quarks de même saveur
(ils ont tous un spin de 3/2). On connaît le ++
(uuu), le –(ddd)
ou l' –
(sss).
On n'a cependant pas encore observé l' –bbb
(bbb)
et l' ++ccc
(ccc).
Aucun baryon n'existe
possédant un quark top. Ces quarks se désintègrent
trop rapidement pour que cela arrive.
Les
mésons.
Les mésons
sont des particules instables composés d'un quark et d'un antiquark.
En voici quelques exemples :
Exemples de mésons
Nom
(et symbole) |
Sous-structure
(Quarks) |
Charge
(e) |
Spin
( ) |
Masse
(GeV/c²) |
Durée
de vie
(s) |
Pion
positif ( +) |
 |
1 |
0 |
0,140 |
2,6 x 10-8 |
Pion
négatif ( –) |
 |
-1 |
0 |
0,140 |
2,6 x 10-8 |
Pion
neutre ( °) |
Superposition
 |
0 |
0 |
0,135 |
0,83 x 10-16 |
Eta
neutre ( °) |
Superposition
 |
0 |
0 |
0,547 |
5 x 10-19 |
Rhô
positif ( +)
(Etat
excité du pion) |
 |
1 |
1 |
0,768 |
0,4 x 10-23 |
Rhô
négatif ( –) |
 |
-1 |
1 |
0,768 |
0,4 x 10-23 |
Kaon
positif (K+) |
 |
1 |
0 |
0,494 |
1,24 x 10-8 |
Kaon
négatif (K–) |
 |
-1 |
0 |
0,494 |
1,24 x 10-8 |
Kaon
neutre (K° / )
Existe
selon deux
superpositions
d'états. |
(Kaon
neutre long) |
0 |
0 |
0,498 |
5,12 x 10-8
s |
(Kaon
neutre court) |
0 |
0 |
0,498
(± m?) |
8,95 x 10-11 |
J/Psi
(J/ ) |
 |
0 |
1 |
3,097 |
7,2 x 10-21 |
D
positif (D+) |
 |
1 |
0 |
1,87 |
10,6 x 10-13 |
D+
étrange (Ds+) |
 |
1 |
0 |
1,97 |
4,7 x 10-13 |
Phi
( ) |
 |
0 |
1 |
1,02 |
20 x 10-23 |
B
neutre (B°) |
 |
0 |
0 |
5,26 |
1,5 10-12 |
Upsilon
( ) |
 |
0 |
1 |
9,46 |
1,3 x 10-20 |
Le méson +
(l'un des trois pions) est composé d'un quark up plus un quark antidown,
ou u .
Sa charge totale est donc +2/3 + 1/3 = 1. Son nombre baryonique est 0,
car il a un quark et un antiquark avec des nombres baryoniques +(1/3) -
(1/3) = 0. La demi-vie du +
est relativement longue car, bien qu'il soit composée de matière
et d'antimatière, les quarks sont de différentes saveurs
et la force faible a à provoquer la décomposition en changeant
la saveur de l'un en celle de l'autre. Les spins des quarks u et
sont antiparallèles, ce qui permet au pion d'avoir un spin zéro.
(La même combinaison quark-antiquark donne le méson rho ( )
de spin 1. Ce méson a une masse environ 5,5 fois celle du méson +).
Le méson –
est l'antiparticule du méson +,
et il est composé des antiquarks correspondants. Autrement dit,
le méson +
est u ,
tandis que le méson –
est d.
Commeleurs quarks constitutifs sont les antiparticules l'un de l'autre,
ces deux pions s'annihilent rapidement .
Certains mésons
sont leur propre antiparticule. Exemples : pion neutre, éta neutre
(et les autres particules éta), rhô neutre, phi, J/psi et
upsilon).
La notion d'isospin,
que l'on a introduite ici à propos des baryons, s'applique aussi
aux mésons ( particules
pi, K, D). Tous les hadrons peuvent être organisés en multiplets
d'isospin.
Les particules
rhô+ et rhô–
sont des résonances des pions positif et négatif respectivement.
La situation est la même que celle déjà évoqué
dans le cas des baryons : mêmes structures sous-jacentes, mais spins
différents (et, partant, masses et durées de vie différentes).
Certains mésons
se présentent comme des mélanges (ou des superpositions
d'états d'autres mésons) d'autres mésons. Ceux-ci,
comme dans le cas du pion neutre et de l'éta neutre sont des mésons
composés d'un quark et de son propre antiquark . Les mésons
répondant une telle combinaison est parfois appelés
quakoniums, même si le terme est plutôt utilisé pour
les combinaisons J/
(charmonium) et
(bottomonium).
Note
: en physique quantique, l'état d'un système (ce système
pouvant se réduire à une unique particule) est représenté
mathématiquement par un vecteur. Or un vecteur peut être décomposé
sous la forme d'une combinaison linéaire d'autres vecteurs. C'est
ce que l'on exprime par exemple en écrivant, sous forme abrégée
: °
= .
Comme toute combinaison linéaire, la superposition
peut être additive (+) ou soustractive (-) et faire intervenir des
facteurs multiplicatifs (ici, pour être moins simpliste, il aurait
fallu aussi diviser le second terme de l'équation par la racine
carrée de 6).
Le méson K
neutre résulte aussi d'un mélange (celui du K°
et de son antiparticule ),
qui peut se présenter aussi bien sous forme
additive (Kaon neutre long) que sous forme soustractive (kaon neutre court).
Les termes long et court se réfèrent ici à
des temps de désintégration différents (ils diffèrent
d'un facteur de l'ordre de 1000). Une très petite différence
de masse m
est également soupçonnée entre les deux formes.
Les durées
de vie des mésons correspondent aux différentes situations
rencontrées. Ordinairement, elles sont de l'ordre de 10-8
s. Les résonnances sont excessivement courtes (de l'ordre de 10-23
s). Même chose pour les mésons composés d'un quark
et de son propre antiquark (quarkonium), 10-20
s pour l'upsilon, 10-21 s pour le J/psi
(on pouvait s'attendre à ce que la particule s'annihile rapidement
avec son antiparticule). Les mélanges, enfin correspondent à
des durées de vie intermédiaires (on a vu que le pion, le
rhô et le kaon neutres sont aussi leurs antiparticules) .
.
Pas plus qu'il
n'existe de baryon contenant un quark t, il n'existe aucun méson
composé de quark t, trop instable.
La
force faible change la saveur des quarks.
L'interaction faible
transforme n'importe quel quark en n'importe quel autre. Non seulement
pouvons-nous avoir d
u, mais aussi aussi obtenir u
d, ou encore s
u et s d (ce
qui constitue une violation de la loi de conservation de l'étrangeté
par la force faible), b
u, etc.
Voici
par exemple ce que qui se produit en termes de quarks lors de la désintégration
du neutron (désintégration -–)
: n p + -–+
, soit :
udd
uud + -–+ .
Autrement dit, un quark down change de saveur pour devenir un quark up
: d u + -–+ .
La force nucléaire
forte ne peut pas, quant à elle, changer la saveur d'un quark. En
revanche, elle change sa couleur...
La couleur des
quarks.
On a remarqué
plus haut que certains baryons pouvaient être composés de
quarks de même saveur. Les quarks étant des fermions, ils
obéissent au principe d'exclusion de Pauli, il peut donc être
surprenant d'apprendre que des quarks identiques (même charge, même
spin), par exemple deux quarks u, peuvent exister et se lier pour former
une particule, éventuellement aussi stable que le proton. Comment
deux quarks up peuvent-ils exister dans la même petite région
de l'espace au sein d'un proton? Surtout, comment des particules telles
que l'oméga moins (composé de trois quark s) peuvent-ils
exister? La réponse à cette question est assez banale en
physique des particules : il suffit poser l'existence d'une propriété
nouvelle qui permettrait de distinguer chacun des quarks up en présence.
Cette propriété,
qui conduit à multiplier par trois le nombre de quarks, est un nouveau
nombre quantique, appelée couleur. Chaque quark, de la même
façon qu'il a une charge électrique qui peut être positive
ou négative, a donc aussi une couleur (ce nombre quantique
ne concerne que les quarks, les lepton sont neutres du point de vue de
la couleur). La couleur joue le même rôle dans l'interaction
nucléaire forte que la charge électrique dans les interactions
électromagnétiques. Pour cette raison, la couleur des quarks
est parfois appelée charge forte. Bien que le concept de
couleur dans le modèle des quarks ait été conçu
à l'origine pour satisfaire le principe d'exclusion, il fournit
également une meilleure théorie pour expliquer certains résultats
expérimentaux. Par exemple, la théorie modifiée prédit
correctement la durée de vie du méson pi°.
Chaque type de quark
(u, d, c, s, b, t) peut posséder chacune des couleurs. Par exemple,
trois quarks étranges existent : un quark étrange rouge,
un quark étrange vert et un quark étrange bleu. Les antiquarks
possèdent des anticouleurs.
La théorie
de la façon dont les quarks interagissent les uns avec les autres
est connue sous le nom de chromodynamique quantique, appellation qui fait
pendant à celle d'électrodynamique quantique donnée
à la théorie de l'interaction entre particules chargées
électriquement. La couleur est à la force forte ce que la
charge électrique est à la force électromagnétique.
Mais alors que la charge électrique ne peut prendre que deux valeurs
(+1 et -1), la couleur peut en prendre trois : le rouge (R), le vert (G
pour green) et le bleu (B). Les antiquarks ont trois valeurs que
nous appelons antirouge ou cyan ( ),
antivert ou magenta ( )
et antibleu ou jaune ( )
par analogie avec ces couleurs secondaires visibles. En électrodynamique
quantique, on dit que chaque quark porte une charge de couleur, analogue
à une charge électrique. La force forte entre les quarks
est souvent appelée force de couleur.
Ces noms ont été
choisis de sorte, que par analogie avec les couleurs visuelles, la
combinaison de trois couleurs primaires ou la combinons d'une couleur et
son complémentaire, sont vue par l'oeil comme du blanc. Entendons
bien que les couleurs ici ne sont que des étiquettes : les quarks
ne sont pas réellement colorés. La couleur des quarks n'a
rien à voir avec que nous ressentons avec la lumière visible,
mais ses propriétés sont analogues à celles de trois
couleurs primaires et de trois couleurs secondaires : lorsqu'une particule
combine un quark rouge, un quark vert et un quark bleu (baryon), on pourra
dire qu'elle est incolore, ce qui pour la charge forte correspond à
la neutralité pour la charge électromagnétique.
Les
hadrons sont incolores... pas les gluons.
Le confinement des
quarks, en termes de couleurs, s'exprime en disant que les quarks qui se
lient pour former des hadrons (baryons et mésons) doivent toujours
être tels que leur composé soit incolores (on dit aussi de
couleur neutre ou blanc). Ainsi, un baryon doit contenir un quark rouge,
bleu et vert. De même, un méson contient une paire de quark
antirouge, bleu-antibleu ou vert-antivert. Ainsi, deux quarks peuvent être
trouvés dans le même état de spin dans un hadron, sans
violer le principe d'exclusion de Pauli, car leurs couleurs sont différentes.
Les gluons, les particules
de champ médiatrices de l'interaction forte, sont, comme les photons,
des particules sans masse et de spin 1. Mais ces deux types de particules
diffèrent grandement sur d'autres points. On sait que le photon,
médiateur de la force électromagnétique entre particules
chargées électriquement ne porte pas lui-même de charge.
Deux des huit gluons sont dans une situation similaire : ils ne portent
pas de charge de couleur (ils sont incolores), mais les six autres sont,
eux, porteurs chacun d'une couleur et d'une anticouleur. Autrement dit,
les gluons sont sensibles à l'interaction forte comme les quarks.
Cela complique sensiblement la chromodynamique quantique.
Tétraquarks
et pentaquarks.
Des particules incolores
à quatre quarks (tétraquarks) ou à cinq quarks (pentaquarks)
sont également prévues par la théorie. Il semble que
certaines de ces particules, à l'existence excessivement fugace,
aient déjà été observé . En mars 2021,
par exemple, le CERN a publié la découvert par le LHC de
deux tétraquarks 
et  ;
les premiers candidats tétraquarks et pentaquarks on été
découverts au Japon en 2003. Il est possible cependant que
ces détections correspondent plutôt de sorte de «-molécules
» de type méson-méson (2 +2) ou méson-baryon
(2 + 3).
L'unification des forces
Un des principaux sujets
d'étonnement lorsqu'on étudie la physique est que l'immense
multiplicité des phénomènes connus peut être
ramenée en dernière analyse à l'action de seulement
quatre forces fondamentales. Mais il est peut-être possible d'aller
plus loin et d'imaginer que ces quatres forces ne sont que les expressions
d'une force unique qui se manifesterait à très haute énergie.
Si l'on excepte la
gravitation, les autres trois forces - celles qui sont abordées
en termes quantiques - sont aujourd'hui comprises au sein d'un même
cadre théorique général (celui des théories
de jauge). Il n'est pas absurde de penser qu'une théorie de
jauge « plus grande » puisse « contenir » les théories
existantes et rendre compte des différentes d'interactions observées
à partir d'un seul principe.
L'effort de la physique
vise au même objectif depuis les spéculations des anciens
Grecs sur la matière ( La matière
dans l'Antiquité ,
les Présocratiques ),
déjà à la recherche d'un principe (archè)
susceptiple de rendre compte de la multiplicité des phénomènes.
La science moderne, qui a tardé à se constituer, a fini par
produire, grâce aux Galilée ,
Newton, Faraday ,
etc., les outils conceptuels capables d'aller plus loin. Ainsi, a-t-il
fallu attendre les travaux de James Clerk Maxwell
(1831-1879) pour que soient réunis dans dans un même cadre
théorique l'électricité et le magnétisme, qui
correspondaient auparavant à deux ordres de phénomènes
différents. Au début du XXe
siècle, la relativité restreinte d'Einstein a permis de comprendre
les raisons physiques profondes qui rendaient possibles cette unification.
Avec la réécriture en termes quantiques de l'électromagnétisme
et la découverte des deux forces nucléaires pouvant se formuler
dans une même langue, recourant à aux mêmes concepts
physiques et mathématiques, il est devenu tentant de chercher
s'il n'était pas possible de fondre à l'intérieur
d'une théorie unique toutes les forces fondamentales.
Un argument supplémentaire
apparaît lorsqu'on compareles intensités intrinsèques
des différentes forces. Ces intensités sont mesurés
par un paramètre propre à chaque théorie et appelé
la constante de couplage. On sait ainsi que la force électromagnétique
est 10-2 fois plus faible que la force
forte; la force faible est 10-13 fois plus
faible que cette dernière, et la force gravitationnelle est
10-38 fois plus faible. Mais ces ordres
de grandeurs ne valent qu'aux échelles d'énergie qui caractérisent
l'univers actuel. Dans les accélérateurs de particules, des
énergies beaucoup plus élevées peuvent être
atteintes, correspondant aux températures qui régnaient dans
les premières fractions de seconde après le début
de l'expansion cosmique. Or, on constate alors que plus la distance sondée
est petite, plus la température est élevée, plus l'énergie
impliquée est grande, et plus les constantes de couplage caractérisant
chaque force, loin d'être de vraies constantes, tendent à
converger vers une valeur unique. Les technologies actuelles ne permettent
pas d'atteindre les conditions où elles pourraient se confondre.
Mais, ici encore, il n'est pas absurde de supposer qu'à une époque
très précoce de l'histoire cosmique, une unique constante
de couplage rendait les différentes forces indiscernables. Dans
une telle situation, tous les phénomènes peuvent s'expliquer
comme les effets de l'action d'une force unique, d'un unique principe d'interaction.
La théorie
électrofaible.
La théorie
qui unifie l'électromagnétisme (reformelé dans le
cadre de la l'électrodynamique quantique) et l'interaction faible
a été développée dans les années 1960
par Steven Weinberg (né en 1933), Sheldon Glashow (né
en 1932) et Abdus Salam (1926-1996). Cette théorie, dite théorie
électrofaible, postule que les interactions faible et électromagnétique
ont la même intensité lorsque les particules impliquées
ont des énergies très élevées. Les deux interactions
sont considérées comme des manifestations différentes
d'une seule interaction électrofaible unificatrice.
La théorie
électrofaible faisait de nombreuses prédictions concrètes,
mais la plus spectaculaire a été peut-être la prédiction
des masses des particules porteuses de la force faible, les bosons
W+, W–
et Z0 , qui devaient être d'environ
82 GeV/c² et 93 GeV/c², respectivement. En 1983, ces particules
ont éffectivement été observées au CERN avec
les caractéristiques attendues (masses, spin, etc.). Cette découverte
expérimentale, a valu le prix Nobel 1984 aux chefs de l'expérience,
Carlo Rubbia (né en 1934) et Simon van der Meer (1925-2011). Les
théoriciens Weinberg, Glashow et Salam avaient déjà
reçu en 1979 le prix Nobel pour leurs travaux.
Le
boson de Higgs.
Une question des
questions laissées en suspens par la théorie était
de savoir pourquoi, des différents médiateurs de l'interaction
électrofaible, le photon est sans masse, contrairement aux bosons
W et Z. En raison de cette différence de masse, aux basses énergies
les forces électromagnétiques et faibles sont assez différentes
mais à très hautes énergies (disons au-delà
de d'énergies de l'ordre de 100 GeV), elles se ressemblent, lorsque
l'énergie au repos est négligeable par rapport à l'énergie
totale. le Z0 en particulier ressemble
au photon de spin 1 sans masse et sans charge. En fait, il y a suffisamment
d'énergie lorsque les choses sont poussées à des distances
encore plus petites (soit à des énergies plus élevées)
pour les transformer , et Z0 en particules
porteuses sans masse plus similaires aux photons et aux gluons.
Le comportement lorsque
l'on passe des énergies supérieures aux énergies inférieures
est connu sous le nom de brisure de symétrie, car les forces sont
similaires, ou symétriques, aux hautes énergies, mais sont
très différentes aux basses énergies.
A partir des énergies de repos des bosons W et Z qui ne sont pas
égales à zéro, se pose la question de l'origine des
masses des particules. Pour résoudre ce problème, un mécanisme
capable de briser la symétrie électrofaible a été
proposé dès 1964 par Robert Brout (1928-2011), puis approfondi
principalement par François Englert (né en 1932) et
Peter Higgs (né en 1929). Ce mécanisme impliquait l'intervention
d'un champ d'un genre nouveau, associé à une particule connue
aujourd'hui sous le nom de boson de Higgs (une appellation qui, en toute
justice, aurait du se référer à Brout, si une erreur
de date, entérinée par d'autres, n'avait pas été
commise par S. Weinberg dans un article sur le sujet...).
Le modèle
standard modifié comprend le boson de Higgs, qui fournit une explication
logique et cohérente de la masse des bosons W et Z. Il est possible,
de plus, que la masse de toutes les particules massives puisse être
comprise comme l'effet de leur interaction avec le champ de Higgs.
On qualifie
le boson de Higgs de boson scalaire. Cela tient à la nature
du champ qui lui est associé ; un champ scalaire est un champ dont
la valeur qu'il prend en chaque point de l'espace est un simple nombre
(= scalaire).
Les expériences
au LHC (Grand collisionneur de hadrons) du CERN ont présenté
en 2012 des preuves d'un boson de Higgs d'une masse de 125 à 126
GeV, et il y a une possibilité d'une découverte directe en
2012. Cette découverte, confirmée l'année suivante,
a assis la validité de la théorie électrofaible. Les
deux des théoriciens du mécanisme de la brisure de symétrie
électrofaible encore vivants (Englert et Higgs) ont réçu
le prix Nobel de physique dès 2013.
-
La grande unification.
Reste encore à
unifier la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible.
Une théorie répondant à cet objectif est appelée
théorie de grande unification (une théorie plus ambitieuse
encore rallierait à ce schéma la gravitation). L'unification
de la force forte est attendue à des énergies si élevées
qu'elle ne peut pas être testée directement, seules des conséquences
observables à relativement basse énéergie peuvent
être espérées.
Les
théories supersymétriques.
La supersymétrie,
développée par Bruno Zumino (né en 1923) et Julius
Wess (1934-2007), prédit qu'à des énergies très
élevées (de l'ordre de 1016 GeV),
il existe des interactions qui transformeraient les fermions en bosons
et vice versa, et que chaque fermion connu aurait un boson partenaire supersymétrique,
ou superpartenaire, de même masse.
Ainsi, pour chaque
quark (un fermion), il y aurait un squark (un boson) ou quark «-supersymétrique
». Pour chaque lepton, il y aurait un slepton. De même, pour
chaque boson de force connu (photons et gluons, par exemple), il y aurait
un fermion supersymétrique (photinos et gluinos).
Les particules supersymétrique
sont des candidates pour la « matière sombre » de l'Univers.
Mais pourquoi cette composante matérielle majoritaire de l'Univers
n'a-t-elle pas été détectée? Il faut probablement
admettre que les particules supersymétriques sont beaucoup plus
massives que leurs homologues conventionnelles, peut-être trop massives
(masses typiquement de l'ordre du Tev (1 téraélectronvolt
= 1012 eV) pour être produites dans
les accélérateurs actuels. La recherche de particules supersymétriques
est cependant déjà au programme des travaux du LHC.
Puisque
dans les théories supersymétriques les fermions peuvent se
transformer en bosons, le nombre baryonique n'est pas conservé.
Il s'ensuit que la survie du proton n'est plus garantie. Il pourrait se
désintégrer par exemple selon le schéma : p  0
+ e+, qui violerait ainsi à la fois
la loi de conservation du nombre baryonique B et celle de conservation
du nombre leptonique .
À l'heure actuelle, une telle désintégration n'a jamais
été observée et tout ce que l'on peut dire, sur la
base d'observations expérimentales, c'est que les protons ont une
durée de vie d'au moins 1033 ans
(pour mémoire l'âge estimé de l'univers n'est que de
1010 ans).
Si
rien n'interdit la désintégration du proton, alors elle devient,
à terme, nécessaire. Cela signifie que toute la matière
ordinaire de l'univers est condamnée à disparaître
: un avenir de l'univers à ajouter à ceux qu'envisage la
théorie
du big bang.
Les théories
supersymétriques prévoient en outre toutes l'existence d'une
classe de particules spéciales, appelées axions (l'axion
proprement dit et d'autres particules qui lui sont apparentées),
qui y jouent un rôle dans ces théories analogue d'un certain
point de vue avec le rôle joué par le boson de Higgs dans
la théorie électrofaible. Les axions ont ceci d'intéressant
(s'ils sont présents en masse dans l'univers) de pouvoir interagir
avec les photons du milieu intergalactique et donc de manifester ainsi
leur existence. Des recherches actives sont menées actuellement
pour détecter les indices de telles interactions.
La production de particules
supersymétriques en laboratoire, l'observation de la désintégration
du proton ou la détection d'effets, à l'échelle des
amas de galaxies, des axions sur les photons constitueraient une avancée
considérable dans la validation de l'hypothèse supersymétrique.
En associant la supersymétrie
à la relativité générale on obtient une nouvelle
théorie quantique de la gravitation (la supergravité ou supergravitation,
élaborée dans les années 1970), dans laquelle le
graviton, qui transmet la force de gravitation, a pour partenaire, le gravitino.
La théorie de la supergravité conduit à envisager
un espace à 11 dimensions. Mais cette approche semble encore plus
plus productive dans le cadre d'un nouveau type de théorie, les
théories des supercordes, qui change radicalement l'idée
qu'on s'est faite jusqu'ici de la notion de particule.
Les supercordes
Les énergies
et les distances auxquelles la gravité est censée s'unifier
avec les autres forces ont encore plus extrêmes. A l'heure actuelle,
les théories les plus prometteuses capables de réaliser l'unification
de la gravitation et des autres forces conduisent à renoncer à
l'idée que les particules fondamentales sont des objets ponctuels;
elles seraient plutôt des objets unidimensionnels, appelés
cordes ou, mieux, pour rendre compte de leurs propriétés
dites supersymétriques, supercordes. Les fondements de ces
théories ont été jetés dès 1974 par
Joël Scherk (1946 -1980) et John Henry Schwarz (né en 1941)
: elle ont connu depuis de nombreux perfectionnements, surtout à
partir de la seconde moitié des années 1990.
Une corde ou une
supercorde se présente comme un petit segment linéaire possédant
deux extrémités, ou comme une boucle fermée, cela
dépend des théories. Dans tous les cas, ces objets doivent
avoir des longueurs de l'ordre de 10-35
m ( = longueur de Planck) et vibrer selon un modèle d'ondes stationnaires.
Chaque mode de vibration quantifié d'une corde correspond à
une particule élémentaire différente du modèle
standard. On pourrait alors dire que chaque particule est une note différente
sur une petite corde tendue - la tension de la corde étant ici le
paramètre clé. Il n'y a plus de multiples espèces
de particules : elles sont toutes remplacées par une seule sorte
de corde. il n'y a qu'un seul type de corde.
L'un
et le multiple.
Pour rendre compte
de la diversité des particules connues à partir d'une seule
entité, il faut non seulement jouer sur la tension des cordes, mais
aussi, comme dans le cas de la supergravité, sur les dimensions
de l'espace dans lequel elles vibrent. Les cinq théories des cordes
aujourd'hui élaborées envisagent ainsi toutes l'existence
de dimensions spatiales s'ajoutant aux trois dimensions spatiales que nous
connaissons. Le nombre total des dimensions spatiales requises (de 10 à
26) dépend ici encore de la théorie des cordes concernée.
L'une d'elles (l'héritière directe de la supergravitation)
a besoin de faire l'hypothèse d'une espace à 11 dimensions.
Sept d'entre elles seraient enroulées sur elles-même à
l'échelle de Planck, soit sur des distances trop petites pour nous
être accessibles, et les trois autres (en même temps que la
dimension temporelle de l'espace-temps) auraient commencé à
se dérouler au début de l'histoire cosmique, donnant alors
lieu à ce qu'on désigne comme l'expansion de l'univers.
La
théorie M et ses avatars.
Les perspectives ouvertes, d'abord par
la supergavitation, puis par les théories des cordes, ont quelque
chose de grisant, tant l'ouverture à des dimensions supplémentaire
offre des possibilités inédites. La théorie M, proposée
en 1995 par Edward Witten, qui se veut une forme de synthèse (qui
s'en tient aux 11 dimensions de la supergravitation) des différentes
théories des cordes en même temps qu'une extension de leurs
postulats, envisage des entités non plus seulement linéaires,
comme les cordes, mais à deux dimensions, appellées membranes.
On a là le point de départ de nouvelles pistes reposant sur
la notion de brane (le mot est extrait de celui de membrane). On
parle de p-branes selon les dimensions de ces entités. Une corde
ouverte (entité unidimensionnelle possédant deux extrémités),
peut se greffer par ses deux extrémités à une même
p-brane ou se relier par chacune de ses extrémités à
deux p-branes différentes. Une 0-brane est l'entité ponctuelle
qui se réduit à l'extrémité d'une corde, une
1-brane est une entité linéaire sur laquelle vient se greffer
l'extrémité d'une corde, une membrane est une 2-brane (entité
bidimensionnelle) à laquelle s'attache par l'une ou par les deux
de ses extrémités une corde , etc.
Reste encore à ces théories
hautement mathématiques et peu contraintes par l'expérience
à prouver qu'elles disent aussi quelque chose du monde physique.
Les
scientifiques aimeraient notamment savoir si et combien de dimensions spatiales
supplémentaires existent, et aussi comment et pourquoi elles sont
cachées. Ils espèrent que indications indirectes pourront
être fournies par le LHC ou ses successeurs immédiats.
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François
Vannucci, Le
vrai roman des particules élémentaires, Dunod,
2010. - Etienne Klein, Sous l'atome les particules, Flammarion, 1993.
Philippe
Miné, A
la découverte de l'antimatière, Ellipses Marketing,
2010.
Gabriel
Chardin, L'antimatière
: La matière qui remonte le temps, Editions le Pommier,
2010. - Apparue avec la découverte de la structure
de la matière, la notion d'antimatière soulève quantité
d'interrogations. Pourquoi la Nature a-t-elle créé un monde
miroir du nôtre? Pourquoi en a-t-on perdu la trace? Dans cet ouvrage
qui fait référence, Gabriel Chardin nous aide à approcher
cette « matière qui remonte le temps » ! La rencontre
des mondes de matière et d'antimatière amènerait à
une conflagration d'une extrême violence et à l'élimination
totale d'au moins un des protagonistes ! Ce scénario catastrophique
est heureusement irréaliste car l'antimatière ne peut exister
dans notre voisinage qu'en très faibles quantités! Mais que
savons-nous de cet étrange élément? L'Univers contient-il
autant de matière que d'antimatière? Où donc est passée
toute l'antimatière qui était présente au début
de l'Univers? (couv.).
Principales
sources de cette page : S.J. Ling et al, University physics, vol.
3, 2018; I. Lyublinkaya et al., College Physics, 2017; R Serway
et C. Vuille, College physics, vol. 2, 2012; R. Serway et J. Jewett,
Physics
for scientists and engineers, vol. 2, 2008; D. Giancoli,
Physics
for scientists and engineers, vol. 2, 2008.
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