particules élémentaires - physicien.

particules élémentaires - physicien. 1 PRÉSENTATION particules élémentaires, composants fondamentaux de la matière ou de la lumière. Le terme particule élémentaire, qui désignait à l'origine toute particule indivisible, a perdu aujourd'hui de sa valeur, depuis que les scientifiques ont montré que la plupart de ces particules étaient décomposables. Désormais, ce terme s'applique à l'ensemble des particules subatomiques. À l'heure actuelle, on a répertorié plus de 300 particules élémentaires. 2 NAISSANCE ET ESSOR DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES La physique des particules, qui est l'étude des particules élémentaires et de leurs interactions, est née au début du XXe siècle. Les scientifiques, qui ne s'intéressaient jusque-là qu'à l'étude de la matière à une échelle macroscopique, entamèrent des recherches sur la structure des atomes et des molécules, qui ont un diamètre d'environ 1 angström (10-10 m). Ces études eurent d'importantes répercussions dans le monde de la physique et conduisirent à l'élaboration de la théorie quantique dans les années 1920. Au début des années 1930, les physiciens s'intéressèrent plus particulièrement au noyau de l'atome, dont le diamètre est de l'ordre de 10-15 m. Grâce à leurs travaux sur le noyau, on fut alors capable d'utiliser l'énergie nucléaire pour construire des générateurs ou pour fabriquer des armes (voir Nucléaires, armes). Mais c'est seulement après la Seconde Guerre mondiale que les scientifiques entreprirent des études poussées de la structure des particules élémentaires. 3 CLASSIFICATION DES PARTICULES Au début des années 1930, on connaissait très peu de particules élémentaires. On savait que le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons (découverte du neutron par le physicien britannique James Chadwick en 1932), autour duquel gravitent des électrons. On avait également mis en évidence le photon, le constituant fondamental de la lumière qui véhicule le rayonnement électromagnétique. Après 1945, la découverte de particules élémentaires s'accéléra, grâce à l'étude des rayonnements cosmiques dans un premier temps, puis aux accélérateurs de haute énergie (voir particules, accélérateur de). Actuellement, plusieurs centaines de particules ont été répertoriées et classées selon le type de leurs interactions, le nombre de quarks qui les composent et la valeur de leur spin. 3.1 Antiparticules En 1930, le physicien britannique Paul A. M. Dirac émit la théorie suivante : à chaque particule est associée une autre particule de charge électrique opposée, nommée antiparticule. En dehors de sa charge, cette antiparticule présente les mêmes grandeurs caractéristiques que la particule correspondante (masse, durée de vie, etc.). Le physicien américain Carl D. Anderson découvrit en 1932 la première antiparticule, celle de l'électron, qu'on appela positron. En 1955, le physicien Owen Chamberlain fut à l'origine de la découverte de l'antiproton. Certaines particules sont leurs propres antiparticules, comme le photon. Les physiciens utilisent généralement une barre pour désigner une antiparticule. Par exemple, l'antineutrino ?e est l'antiparticule du neutrino ve. 3.2 Interactions Les scientifiques distinguent quatre types d'interactions qui s'exercent entre les constituants de la matière : Les interactions nucléaires ou fortes représentent les forces de plus grande intensité, elles sont à l'origine de la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique. Viennent ensuite, par ordre décroissant d'intensité, les interactions électromagnétiques, qui assurent les liaisons entre les électrons et le noyau. Ces interactions sont responsables des réactions chimiques. Bien plus petites sont les interactions faibles, qui gouvernent la désintégration de certains noyaux radioactifs. Elles furent observées pour la première fois en 1896 par Henri Becquerel. Les interactions gravitationnelles sont encore plus faibles, même si elles sont observables à grande échelle (chute des corps, mouvement des astres). D'après la théorie quantique, on sait que ces interactions sont véhiculées par des grains d'énergie, appelés quanta. Ainsi, les particules appelées gluons sont responsables des interactions fortes. Le photon est à l'origine des interactions électromagnétiques, tandis que les interactions faibles agissent par échange de particules appelées bosons intermédiaires. Dans le cas de l'interaction gravitationnelle, on a émis l'hypothèse de l'existence d'une particule appelée graviton, mais qui n'a pu être observée jusqu'ici. 3.3 Leptons et hadrons Outre les particules citées ci-dessus, associées aux interactions, il faut mentionner également les particules élémentaires qui composent la matière. On les classe selon deux catégories : les leptons et les hadrons. Les leptons ne subissent pas les interactions fortes. Six particules en font partie, dont l'électron. En effet, l'électron n'est pas sensible aux interactions fortes, puisqu'il peut s'évader du noyau atomique. En revanche, les hadrons sont des particules qui subissent toutes les interactions. 3.4 Quarks En 1964, les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig émirent simultanément l'hypothèse que les hadrons sont composés de constituants plus petits, baptisés quarks. Ils imaginèrent l'existence de trois quarks et de trois antiquarks de charge électrique opposée. On distingue alors deux types de hadrons, les mésons et les baryons, selon le nombre de quarks qui les composent. Les baryons sont constitués de trois quarks, alors que les mésons se composent d'un quark et d'un antiquark. En 1974, les physiciens américains Ting et Richter découvrirent un autre quark, le quark c, contenu dans de nouvelles particules, baptisées J ou ?. En 1977, on mit en évidence un cinquième quark, le quark b. Enfin en 1995, conformément à la théorie du modèle standard, le sixième et probablement dernier quark, le quark t, fut découvert au sein du Fermilab. 3.5 Spin Les particules peuvent également être classées en fonction de leur spin, qui peut s'assimiler à leur moment angulaire. Cette grandeur quantique ne peut prendre que des valeurs discrètes entières ou demi-entières. Les leptons possèdent tous un spin égal à ½, tandis que les hadrons peuvent avoir des spins de 0, ½, 1, ou plus. On appelle bosons les particules de spin entier, et fermions les particules de spin demi-entier. 4 SYMÉTRIE ET INVARIANCE Jusqu'au début du XXe siècle, les principes de la symétrie ne s'appliquaient, en physique, qu'à la dynamique des fluides et à la cristallographie. Après 1925, la mécanique quantique permit d'énoncer des principes de symétrie à l'échelle atomique. Il existe trois opérateurs de symétrie : la parité P, la conjugaison de charge C et l'inversion du temps T. 4.1 Parité (P) Considérons l'interaction des particules A et B de moments angulaires mA et mB. Supposons que cette interaction donne naissance à deux autres particules C et D, de moments caractéristiques mC et mD. Soit I cette interaction : A + B -> C + D (I) La conservation de la parité (P) énonce que les lois physiques ne sont pas modifiées si l'on fait subir aux coordonnées dans l'espace x, y et z de chaque particule une symétrie par rapport à l'origine. Autrement dit, si les particules A et B de moments mA et mB produisent, dans les mêmes conditions que celles de l'interaction I, des particules C et D avec les moments mC et mD, alors l'interaction est invariante sous la parité (P). 4.2 Conjugaison de charge (C) On peut illustrer ce principe de symétrie en considérant à nouveau l'interaction I. Soit C(I) l'interaction conjuguée de l'interaction I, obtenue en remplaçant les particules A, B, C et D par leurs antiparticules ?, ?, ? et ? . Cette interaction C(I) s'écrit : ? + ? -> ? + ? C(I) Si, dans des conditions identiques à celles de l'interaction I,, l'interaction de ? et ? donne naissance aux particules ? et ? , on dit alors que l'interaction I est invariante sous la conjugaison de charge (C). 4.3 Inversion du temps (T) Le principe de symétrie de l'inversion du temps stipule qu'une interaction I est invariante sous l'opérateur (T), si les conditions de l'interaction inverse T(I) : >C + D -> A + B T(I)>sont les mêmes que celles de l'interaction I. 4.4 Symétrie des interactions L'expérience a montré que ces principes d'invariance se vérifiaient dans le cas d'interactions fortes et électromagnétiques, mais qu'il en était autrement pour les interactions faibles. Ainsi, en 1957, on constata que ce dernier type d'interaction ne respecte pas forcément la conservation de la parité de l'espace. On observa en effet que les particules émises par interactions faibles ont tendance à afficher une certaine « latéralisation «, rapport fixe entre leur spin et la direction de leur mouvement. En particulier, les neutrinos ve et vµ, qui interviennent seulement dans les interactions faibles et gravitationnelles, ont toujours un moment angulaire intrinsèque à gauche. En d'autres termes, ces particules possèdent un spin opposé au sens du mouvement. On a montré de même que les interactions faibles n'observent pas toujours le principe d'invariance sous conjugaison de charge. L'Univers n'est donc pas régi par une symétrie intrinsèque comme on pourrait le penser au premier abord. 5 CHAMPS ASSOCIÉS AUX PARTICULES 5.1 Théories de champ Avant le milieu du XIXe siècle, il était communément admis que l'interaction entre des particules ou des corps plus massifs agissait à distance. Michael Faraday fut le premier à émettre l'hypothèse que l'interaction d'un corps avec un autre se produit par l'intermédiaire d'un champ. James Clerk Maxwell exprima les idées de Faraday sous forme mathématique et aboutit à l'élaboration de la première théorie de champ. Il formula les lois générales du champ électromagnétique, en posant les fameuses équations de Maxwell (voir électromagnétisme). En 1916, Albert Einstein publia sa théorie relative aux interactions gravitationnelles, qui devint ainsi la deuxième théorie de champ. 5.2 Théorie des champs unifiée Bien que les quatre types d'interaction diffèrent largement les uns des autres, de nombreux physiciens ont tenté de les unifier dans une même théorie. C'est Albert Einstein qui s'y attela le premier dans les années 1910 mais sans y parvenir. En 1979, les physiciens américains Sheldon Glashow, Steven Weinberg et le physicien pakistanais Abdus Salam se partagèrent le prix Nobel de physique pour avoir élaboré un modèle réussissant à concilier les théories des interactions électromagnétiques et faibles. Ils démontrèrent qu'il s'agit en fait d'une seule et même interaction, appelée interaction électrofaible ( voir champs unifiée, théorie des). À l'heure actuelle, les physiciens effectuent des recherches pour tenter d'aboutir à une éventuelle unification de tous les types d'interaction. Pour cela, ils s'appuient sur la théorie électrofaible évoquée plus haut, et sur la chromodynamique quantique qui donne une explication des interactions fortes. Ces deux théories sont regroupées sous ce qu'on appelle le modèle standard. Plusieurs théories d'unification ont été proposées, mais aucune d'entre elles n'est parvenue à inclure l'attraction gravitationnelle. Il est peu probable, en effet, que l'unification des quatre interactions soit atteinte dans un futur proche. Des difficultés tant théoriques que pratiques subsistent encore. D'un point de vue théorique, les scientifiques se heurtent à l'extrême complexité mathématique des théories manipulées. Sur le plan expérimental, l'étude de la structure de particules de très petite taille requiert des accélérateurs et des détecteurs de particules difficilement réalisables, à la fois techniquement et financièrement. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.