Harris' blog

Cet article (qui est une partie de mon cours sur la physique des particules du CFRT) a pour mission de réaliser le bestiaire des particules qui nous entourent et d’expliquer les différents mécanismes entre particules qu’on appelle interactions.

On trouve également la dénomination physique des hautes énergies pour parler de la physique des particules car la plupart de ces petites choses se désintègrent très vite et n’existent que pendant quelques millièmes de seconde lors de collisions à hautes énergies avant de se désintégrer.

Pour certains philosophes grecs de l’Antiquité, les atomes étaient les plus petits constituants de l’Univers. or les physiciens du XXème siècle ont cassé l’atome, révélant des ingrédients plus petits encore: des protons, des neutrons et des électrons. Par la suite, ils ont démontré que les protons et les neutrons eux même étaient constitués de particules plus petites, les quarks, maintenues solidaires par des gluons. grâce à diverses expériences, les chercheurs ont découvert que la structure des protons et des neutrons cache un foisonnement de particules : trois quarks, mais aussi des gluons et une “mer” de paires de quarks-antiquark qui naissent et disparaissent en permanence.

Voici quelques règles simples à retenir avant tout :

Les particules élémentaires sont les constituants élémentaires de la matière qui nous entoure.

A ce titre, elles sont insécables : on ne peut pas les diviser en de plus petites entités.

Exemple : un électron.

A chaque particule élémentaire est associée une antiparticule élémentaire de même masse et ayant presque les mêmes propriétés mais avec une charge électrique opposée.

Exemple : un antiélectron (aussi appelé positron ou positon)

Les particules élémentaires peuvent se regrouper pour former de nouvelles particules composites.

Exemple :  un proton est composé de quarks.

Les atomes sont constitués de particules.

Exemple : un atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron.

Les molécules sont constituées d’atomes.

Exemple : une molécule d’eau (H2O) est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.

Certaines particules sont stables, d’autres sont instables car elles se désintègrent très vite après leur création.

Exemple :  l’électron est stable, le muon est instable.

Il existe 4 forces d’interaction qui expliquent toutes les interactions de la matière !

: la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte.

1 – Force de gravité

La première est la force de gravitation.

C’est en 1687 que le physicien Isaac Newton découvre la force de gravitation lorsque la fameuse pomme lui tombe sur la tête, ou plutôt lorsqu’il observa attentivement la lune dans le ciel, en se demandant pour qu’elle raison elle ne tombait pas sur la terre. L’interaction gravitationnelle est de portée infinie. Cette force est proportionnelle au produit des masses des 2 corps qui interagissent et est inversement proportionnelle à la distance qui les sépare. La loi de Newton dit que deux corps, du simple fait de leur masse, exerce chacun l’un sur l’autre une force de gravitation attractive. On obtient la relation suivante :

avec:

F la valeur de la force attractive en Newton (N)
G la constante de gravitation universelle (G=6.67 N.kg^-2.m²)
m et m’ les masses de chacun des deux objets (en kg)
d la distance qui les séparent (en m).

La force gravitationnelle est dominante à l’échelle de l’infiniment grand et est négligeable à l’échelle microscopique où les masses sont très infimes. La physique quantique (un ensemble de théories physiques nées au XX^ème siècle) stipule qu’à chacune des quatre interactions fondamentales, on peut associer une particule appelée «boson de jauge» qui serait responsable de l’interaction. La particule qui serait responsable de l’interaction gravitationnelle est jusqu’à aujourd’hui inconnue mais les scientifiques lui ont déjà donné un nom : le graviton. Le graviton serait donc la particule responsable de porter la force gravitationnelle.

2 – Force électromagnétique

Il y a les forces d’origine électrique issues des interactions entre les charges électriques, elles sont caractérisées par la force de Coulomb qui fait de l’électricité statique sur votre pull-over. On observe également des forces magnétiques comme dans les aimants que l’on colle sur nos réfrigérateurs.

L’électricité et le magnétisme ont été pour longtemps considérés comme deux forces distinctes mais, en 1873, le physicien écossais Maxwell unifia ces deux forces qui s’appellent aujourd’hui «l’électromagnétisme». La force électromagnétique existe entre n’importe quel deux corps chargés. Si les deux corps sont de charges de mêmes signes alors la force électromagnétique est répulsive, et si les charges des deux corps sont opposées, la force électromagnétique est attractive. Contrairement à la force gravitationnelle, la force électromagnétique est dominante à l’échelle des particules, donc à l’échelle de l’infiniment petit. La portée de cette force est infinie.

La valeur de cette force est donnée par la relation suivante :

avec:
F la valeur de la force électromagnétique en Newton (N)
k une constante (k=8.99 N.C^-2.m²)
Q et Q’ les charges de chacun des deux corps en Coulombs (C)
d la distance qui séparent les deux corps (en m).

Elle est véhiculée par les photons, qui de par leur masse quasi-nulle peuvent agir à longue portée..

3 – Force Faible

Souvent appelée interaction nucléaire faible, elle est complexe à comprendre. Elle est, comme son nom l’indique, la plus faible des quatre forces fondamentales.

En effet, elle est 10 000 000 de fois plus faible que l’interaction forte, 100 000 fois plus faible que la force gravitationnelle et 1000 fois plus faible que la force électromagnétique. En plus, c’est la force de plus courte portée (environ 10^-18 m). Pourtant cette interaction est fondamentale : c’est elle qui régit les réactions thermonucléaires du Soleil et de toutes les étoiles. Donc sans cette interaction, il n’y aurait pas de chaleur et pas de vie. Cette force s’applique aux fermions (une des deux grandes familles des éléments) et est responsable de la radioactivité ? (qui transforme une particule en une autre). Les bosons de jauge porteurs de l’interaction faibles sont les plus lourds des bosons de jauge et c’est pourquoi cette force a la plus courte des portées.

C’est elle qui permet la désintégration (β) de certaines particules en d’autres, entraînant un phénomène découvert par Becquerel et Marie Curie : la radioactivité.

Seuls les quarks et les leptons y sont sensibles (comme l’électron par exemple).

Elle est véhiculée par les bosons W et Z, découverts au CERN dans les années 80.

A haute énergie, la force faible peut être couplée avec l’interaction électromagnétique, ces 2 interactions unifiées forment alors l’interaction électrofaible, encore plus fondamentale donc : 2 en 1 !

4 – Force Forte

C’est elle qui nous tient « collé » en un seul morceau. En effet, cette force permet la cohésion entre les particules qui constituent les noyaux des atomes, c’est-à-dire les quarks. Je rappelle que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de ces fameux quarks.

Utilisons la métaphore de l’élastique pour expliquer cette force : vous prenez un gros élastique à peine tendu entre vos 2 mains, la force exercée sur chaque main est relativement faible. Maintenant vous écartez les mains, l’élastique se tend et la force qui tend à rapprocher vos main augmente, vous avez de plus en plus de mal à écarter les mains !

La force forte, c’est comme un élastique qui tient les quarks : plus ils s’éloignent les uns des autres, plus la force augmente et ils restent donc bien groupés. Pour les séparer, il faut apporter une énergie colossale, c’est ce que les accélérateurs de particules font… c’est pour cela que l’on a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires. Ce phénomène est appelé la liberté asymptotique.

Évidemment il n’y a pas d’élastique dans l’histoire mais des gluons, ce sont eux qui sont porteurs de cette force, jouant le rôle de « glu ».

Ils assurent la cohésion des assemblages de quarks que sont le proton et le neutron, ainsi que celle du noyau atomique. Par quels mécanismes ? Les physiciens n’ont pas encore toutes les réponses.

 

Les particules élémentaires

La physique des particules possède un modèle théorique pour décrire les particules élémentaires qui porte le simple nom de modèle standard.

A ce jour, toutes les particules du modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules la dernière en date : le boson de Higgs,   détectée en 2014   avec le nouvel accélérateur de particule du CERN, le LHC.

Le modèle standard regroupe 25 particules élémentaires représentées dans le tableau ci-dessous (ainsi que leurs 25 antiparticules associées que je ne citerai pas pour raison de lisibilité).

Il existe 2 grandes familles de particules élémentaires :

La famille des particules de matière: ce sont les fermions.

La famille des particules de champ qui sont des médiateurs et permettent de véhiculer une force d’interaction : les bosons de jauge.

Le modèle standard parle ensuite de 3 générations qui sont dues à la différence de masse entre les particules. La première génération rassemble les particules les plus légères qui sont stables et constituent la matière qui nous entoure alors que les générations 2 et 3 sont constituées de particules plus lourdes créées artificiellement sur Terre dans les accélérateurs de particules et qui se désintègrent rapidement.

Il existe 12 fermions qui sont classés en 2 sous-familles :

– 6 leptons qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte :

Première génération : l’électron et le neutrino électronique.

Deuxième génération : le muon et le neutrino muonique.

Troisième génération : le tauon et le neutrino tauonique.

– 6 quarks qui sont sensibles à toutes les interactions :

Première génération : quarks up et down.

Deuxième génération : quarks strange et charmed.

Troisième génération : quarks bottom

(aussi appelé beauty) et top.

Il existe 13 bosons de jauge pour véhiculer 3 forces d’interaction ainsi que la masse aux différentes particules :

Le photon qui est le médiateur de la force électromagnétique.

Les bosons W+, W– et Z0 qui véhiculent la force faible.

Les 8 gluons qui sont responsables de la force forte.

Le boson de Higgs qui confère leur masse aux particules.

Il y a aussi une particule hypothétique appelée graviton qui serait le médiateur de la force gravitationnelle. Je le mentionne ici car cette particule me semble importante mais elle ne fait pas partie du modèle standard qui ne décrit pas les phénomènes gravitationnels. Il existe de nombreuses autres particules élémentaires hypothétiques dans les différentes théories des physiciens (parfois un peu tarabiscotées) mais aucune d’entre elles n’a jamais été détectée.

Les particules composites

Des particules élémentaires peuvent se regrouper sous l’influence des différentes interactions pour former de nouvelles particules.

Le meilleur exemple est le regroupement des quarks sous l’effet de la force forte, formant ainsi une nouvelle classe de particules composites appelées   hadrons.

Les hadrons se décomposent en 2 familles :

Les mésons qui sont composés par un nombre pair de quarks et d’antiquarks. Il en existe à ce jour plus d’une dizaine dont, entre autres, les kaons et les pions.

Les baryons qui sont composés de 3 quarks. On en dénombre plus d’une vingtaine mais les plus connus sont les protons (2 quarks up + 1 quark down) et les neutrons (2 quarks down + 1 quark up).

 En cosmologie, la matière baryonique désigne toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. En pratique, cela correspond   aux protons, et aux neutrons, auxquels on adjoint implicitement les électrons (qui ne sont pas des baryons, mais des leptons) qui composent les atomes   et les molécules et toutes les structures visibles dans l’univers observable (étoiles, galaxies, amas de galaxies, etc.).

On vient de découvrir (décembre 2014) 2 baryons supplémentaires, les Xi_b’ et Xi_b* qui ont été prévus théoriquement en 2009 (en Chromodynamique quantique)

La force forte agit comme un ressort sur les quarks : plus les quarks tentent de s’éloigner, plus la force forte augmente. Il est ainsi très difficile de séparer des quarks liés (on parle de phénomène de confinement), les différentes théories de la physique décrivent d’autres classes de hadrons, dit exotiques (boules de gluons, tetraquarck, pentaquarck etc.).

Les quasi-particules

Par commodité, la physique peut faire appel au concept de particule pour décrire des phénomènes sans qu’une particule n’existe vraiment, on parle alors de quasi-particule. Une quasi-particule peut par exemple décrire un « manque de particule réelle », ce que l’on appelle un « trou» pour parler de l’absence d’un électron en électricité ou bien encore la propagation d’ondes dans des structures cristallines (phonon).

On appelle désormais l’interaction forte l’interaction de couleur, mais pourquoi ?

Un physicien des particules vous répondra : « facile, c’est parce que les quarks possèdent une couleur !» . Je vous sens septique ? vous avez raison, rien à voir avec une vraie « couleur » au sens propre, c’est juste un délire des physiciens qui ont attribué aux quarks les couleurs verte, bleue et rouge pour illustrer leurs propriétés physiques au même titre qu’une charge électrique dans l’interaction électromagnétique.

Il y a aussi du jaune, du cyan et du magenta pour les anti-quark (les anti particules des quarks) et nos chers gluons sont bicolores, il y en a donc 9 mais en fait il ne sont que 8 pour des histoires symétriques bien compliquées…

Oui, la physique des particules est étrange…Cette histoire de couleur, c’est la théorie de la chromodynamique quantique ou QCD (Quantum Chromo Dynamic): D’après cette théorie, les quarks (et les antiquarks correspondants) sont confinés dans les particules qu’ils constituent et possèdent une propriété nommée « couleur » bleue, verte ou rouge, analogue à la charge électrique de la force électrostatique.

Un autre principe fondamental de la théorie est qu’une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante… blanche.