Physique des particules:
Si le Big-Bang est une apparition, celle de l'univers celle de tout ce qu'il faut pour que le Monde d'aujourd'hui ressemble à ce qu'il est, alors les petites choses à partir desquelles tout le reste peut exister, ce qui semble exister de plus petit d'après les connaissances actuelles, sont apparues dès la naissance de cet Univers. Voici ce qu'on a découvert sur elles.
Mais il faut être relativement prudent avec les observations faites car elles reflètent souvent ce que l'on a "envies" de voir. Dans les expériences de fentes de Young, en fonction des capteurs utilisés on pouvait observer des corpuscules ou des ondes à partir d'une même source. Niels Bohr disait à ce propos; "Le but de la physique n'est pas de découvrir ce qu'est la nature mais ce que l'on peut dire sur elle". Albert Einstein disait aussi: "L'espace et le temps sont les modes par lesquels nous pensons et non les conditions dans lesquels nous vivons"
"Particule
élémentaire" désignait à son origine le concept de "Particule
indivisible", soit la brique de base (niveau 0).
Après quelques constats bien entiers, il s'applique maintenant à l'ensemble des
Particules subatomiques
(= plus petits que des atomes) composant la Matière et la Lumière.
Il s'avère que la grande famille des Particules
subatomiques possède plusieurs
niveaux de Particules, certaines se regroupant pour former
d'autres Particules.. Aussi, existe t-il donc des
Particules souches et des Particules
composées, celles-ci étant réparties dans des
grands groupes fonction de
leur constitution et de leur propriété..
L'environnement
particulaire.
Le Corps Humain, organisme d'une complexité saisissante et ses systèmes sont constitués d'organes
Eux-mêmes SONT constitués de tissus à leurs tours faits d'un ensemble de cellules (60000 milliards).
Les cellules sont composés de molécules, elles-mêmes faites de différents atomes dont la cohésion est assurée par des liaisons électroniques rendant l'ensemble stable, la charge des électrons (négative) étant égale à celle du noyau (positive). A cette échelle, le Temps semble comme accéléré, par exemple, un atome de césium vibre 9 192 631 770 fois par seconde.
Le noyau atomique est la masse centrale constituée de protons et de neutrons (sauf l'atome d'Hydrogène [H] qui ne possède qu'un proton) , appelés génériquement des nucléons. Ces derniers sont constitués de quarks. La taille d'un quark est de l'ordre de l'attomètre, soit 10-18 mètres.
En 2004, les théories sur les Particules subatomiques de l'Univers
postulent l'existence de 2
superfamilles. La 1ère représente toute les
Particules de Matière (quarks
et leptons), la 2nde, les Particules
d'interaction (bosons).
L’hypothèse de l’existence des quarks a été proposée en 1963 par les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig. Le terme quark est tiré d’une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce :« Three quarks for Mr Mark ». (Les trois quarks de Monsieur Mark).
A ce jour, on connaît 6 sortes de quarks, ils se définissent par plusieurs caractères : leur « saveur », leur masse, leur charge électrique, leur « couleur » et leur « spin » chacun d'entre eux possède son Antiparticule, ou antiquark, de charge opposée.
SAVEUR |
MASSE |
CHARGE |
COULEUR |
SPIN |
up |
entre 3 et 5 MeV |
+2/3 |
rouge |
1/2 |
down |
entre 6 et 10 MeV |
-1/3 |
||
strange |
entre 160 et 200 MeV |
-1/3 |
||
charm |
entre 1300 et 1800 MeV |
+2/3 |
||
beauty |
entre 4250 et 4700 MeV |
-1/3 |
||
top |
entre 175000 et 180000 MeV |
+2/3 |
Dans la nature, seuls les quarks up, down et strange existent, les trois autres étant créés en laboratoire. Les antiquarks sont également produits artificiellement dans des accélérateurs de particules.
La masse d’un quark s’exprime souvent en mégaélectronvolts (MeV), conformément à l’équation traduisant l’équivalence masse énergie de la théorie de la Relativité: E = mc². L'électronvolt est la quantité d'énergie reçue par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 Volt. Un électronvolt est égal à environ 1,6.10-19 Joules.
La charge d’un quark
a la particularité d’être
fractionnaire, pouvant être égale à +2/3 ou à -1/3 de la charge
élémentaire du proton valant 1,6 10-19 Coulombs.
La couleur d'un quark
(rouge,
vert ou
bleu) est une
caractéristique quantique due à l’interaction entre les quarks appelée
interaction chromique ou interaction
nucléaire forte. Elle est décrite par la
chromodynamique quantique.
Cette théorie stipule que, les quarks vont s’attirer de façon à former des
objets neutres (un
quark de chaque couleur), non colorés,
c’est-à-dire blancs.
Les antiquarks ont
des couleurs différentes appelées "anticouleurs"
qui sont le cyan,
le magenta et
le jaune. Il
appliques aussi la règle de neutralité.
Le spin d'un quark
est une propriété apparentée, mais non identique, à la notion ordinaire de
rotation, appelée "moment
angulaire de spin" et correspondant à peu près à l'aspect
que la Particule présente quand on la regarde selon des directions différentes
; celui-ci est bien différent du mouvement angulaire orbital, c'est à dire le
mouvement spatial de la Particule. Dans l'usage courant, dire qu'une particule a
un spin de 1/2 signifie que son moment angulaire de spin est égal à 1/2.
Les quarks et/ou les antiquarks se regroupent dans une famille de
Particules: les "hadrons".
Ensemble des particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, composées de 2 ou 3 quarks. Tous les hadrons, à l'exception des protons et des neutrons nucléaires, sont instables et se désintègrent en d'autres hadrons. Les autres forces fondamentales naturelles, telles que la gravitation, l'électromagnétisme et les forces faibles (qui régissent la désintégration radioactive) agissent aussi sur les hadrons.
Les hadrons forment un ensemble de
q
quarks et
a
antiquarks liés entre eux. Il
existe une relation à laquelle doivent satisfaire ces nombres :
q - a = 3 B, où le nombre
B, appelé
nombre baryonique,
doit être un
entier relatif. Voyons
quelques possibilités, le tableau représente les nombres baryoniques:
a \ q |
0 |
1 |
2 |
3 |
0 |
X |
1/3 |
2/3 |
1 |
1 |
-1/3 |
0 |
1/3 |
2/3 |
2 |
-2/3 |
-1/3 |
0 |
1/3 |
3 |
-1 |
-2/3 |
-1/3 |
0 |
En fonction du nombre baryonique, les hadrons se divisent en
deux classes de particules :
les baryons et les
mésons. Le spin des
baryons est demi-entier, celui des mésons est nul.
Les Baryons
Lorsque
B = 1 (nombre baryonique), on
obtient les baryons,
constitués de trois quarks.
Ainsi, le proton (uud)
comporte deux quarks u
et un quark d,
alors que le neutron
(ddu) est
formé de deux quarks d
et d’un quark u.
On peut cependant imaginer des baryons formés de quatre quarks et un antiquark
(pentaquarks), voire d'autres faits de 6 quarks (hexaquarks), mais ils n'ont
encore jamais été observés.
A la suite de collisions violentes,
protons et neutrons peuvent être excités sous la forme de baryons composés
d'autres types de quarks comme le quark "strange",
et composant des hypérons
(Particules delta, lambda, sigma, xi et oméga), des Particules très massives.
Lorsque B = -1,
on a à faire à des antiprotons
et des antineutrons.
L'antiproton comporte
deux antiquarks u
et un antiquark d,
alors que l'antineutron
est formé de deux antiquarks d
et d’un antiquark u.
Ces 2 Antiparticules peuvent être produite par collision de nucléons dans des
accélérateurs de Particules.
On s'aperçoit que l'idée du nombre baryonique est géniale. Seules les valeurs +1; 0 ou -1 sont possibles dans la nature dans l'alchimie" des quarks entre eux.
Les Mésons
Lorsque B = 0, on obtient des hadrons contenant autant de quarks que d’antiquarks : ce sont les mésons. Il en existe plusieurs sortes: le pion, le kaon, le rhô. Jusqu’à ce jour, seuls ont été observés des mésons à un quark et un antiquark (particules légères), mais rien n’interdit l’existence de mésons à deux quarks et deux antiquarks, voire plus. Les mésons font aussi parti des bosons, dans le sens où leur spin est nul.
NOM |
MASSE |
SPIN |
m. pion neutre |
135 MeV |
0 |
m. pion plus |
140 MeV |
0 |
m. pion moins |
140 MeV |
0 |
m. kaon plus |
494 MeV |
0 |
m. kaon moins |
494 MeV |
0 |
m. kaon neutre |
498 MeV |
0 |
b. proton |
938 MeV |
1/2 |
b. neutron |
940 MeV |
1/2 |
b. hypéron lambda |
1116 MeV |
1/2 |
b. hypéron sigma plus |
1189 MeV |
1/2 |
b. hypéron sigma neutre |
1193 MeV |
1/2 |
b. hypéron sigma moins |
1197 MeV |
1/2 |
b. hypéron xi neutre |
1315 MeV |
1/2 |
b. hypéron xi moins |
1321 MeV |
1/2 |
b. hypéron oméga |
1672 MeV |
3/2 |
b. hypéron delta neutre |
1865 MeV |
0 |
b. hypéron delta plus |
1869 MeV |
0 |
b. hypéron delta moins |
1869 MeV |
0 |
b. hypéron lambda c |
2285 MeV |
1/2 |
Les leptons sont des
particules fondamentales uniquement soumises aux interactions faibles, et de
spin demi-entier. On distingue trois couples de leptons : les
leptons électroniques, les
leptons muoniques et
le lepton tauique.
Dans l'ordre, on distingue l'électron,
le muon et le
tauon. À chacune de ces
particules correspond un neutrino
(particule non chargée) appartenant à la classe de la particule. Contrairement
aux hadrons, les leptons semblent
être dépourvus de structure interne. D'après certains
scientifiques, il existerait un parallélisme entre les leptons et les quarks.
NOM |
MASSE |
CHARGE |
SPIN |
électron |
0,511 MeV |
-1 |
1/2 ou -1/2 |
muon |
entre 105,6 et 106 MeV |
-1 |
1/2 ou -1/2 |
tauon |
entre 1777 et 1784 MeV |
-1 |
1/2 ou -1/2 |
neutrino électronique |
entre 0,11 et 7 eV |
0 |
1/2 ou -1/2 |
neutrino muonique |
entre 0,19 et 0,2 MeV |
0 |
1/2 ou -1/2 |
neutrino tauique |
entre 18,2 et 20 MeV |
0 |
1/2 ou -1/2 |
L'électron (e-) a une masse d'environ 9,1083.10-28 grammes et une charge électrique élémentaire de 1,602.10-19 Coulombs. La charge de l'électron est l'unité de base en électricité. Les électrons interviennent dans un grand nombre de phénomènes et d’applications : le magnétisme, l'électronique, la spectroscopie, et bien évidemment la physique et la chimie..
L'antiparticule de l'électron est le
positron (ou positon), qui se
manifeste dans la radioactivité bêta, ou dans l'annihilation des rayons gamma
par création de paires électron positron.. Bref..
Le muon (μ-)
est instable
(durée de vie moyenne de l’ordre de 2,197.10-6 secondes, il ne
participe pas à l’interaction nucléaire forte, mais subit les interactions
faibles, dont celles électromagnétiques. Il est produit par la
désintégration du pion.
C’est d’ailleurs le muon qui a permis l’identification du pion. Les propriétés
du muon sont celles de l’électron, à l’exception de la masse (environ 210 fois
plus grande), voisine de celle du pion. C’est pourquoi on l’appelle aussi «
électron lourd ».
Le tauon (τ-)
est aussi une Particule élémentaire
très instable (durée de
vie moyenne de l’ordre de 2,8.10-13 secondes). Comme le muon, il ne
participe pas à l’interaction nucléaire forte, mais subit les interactions
faibles et, comme toutes les particules chargées, les interactions
électromagnétiques faibles. Ses propriétés sont celles de l’électron, à
l’exception de la masse qui est environ 3 500 fois plus grande. C’est pourquoi
on l’appelle aussi « électron super
lourd ».
Le neutrino
(électronique) est un lepton
électriquement neutre et de
masse quasi nulle. Comme
il n'a pas de charge électrique, qu'il a une masse négligeable et qu'il peut
être absorbé dans la matière, le neutrino fut très difficile à mettre en
évidence expérimentalement. L'antiparticule du neutrino, ou
antineutrino, est émise en
même temps que l'électron de
désintégration bêta à charge négative, alors que le neutrino
est émis avec des positrons dans d'autres réactions de désintégration bêta.
D'après certains scientifiques, dans une forme rare de radioactivité, la
double désintégration bêta,
deux neutrinos pourraient se combiner pour former une particule. Une autre sorte
de neutrino à grande énergie, le
neutrino muon, est produite en même temps que le muon au cours
de la désintégration d'un pion. Lors de cette désintégration, une particule
neutre est émise dans la direction opposée à celle du muon. En 1962, les
chercheurs montrèrent que cette particule correspond à un troisième type de
neutrino, le neutrino tau.
Actuellement, les scientifiques cherchent à
savoir si les neutrinos peuvent passer d'une
forme à l'autre, ce qui impliquerait que la particule a une
masse non nulle.
Ce concept conduirait à de profonds
bouleversements pour la cosmologie
et les sciences physiques : une telle
masse additionnelle dans
l'Univers pourrait impliquer que l'Univers
n'est pas en expansion mais en
contraction. Selon certains scientifiques, les
renseignements découverts grâce à la supernova SN 1987A tendent à montrer que le
neutrino a une masse non nulle.
Tous les leptons
font partie de la famille des
fermions car ils sont tous soumis aux interactions faibles ;
ils subissent les interactions électromagnétiques faibles s'ils sont
électriquement chargés.
Bose
Les
bosons, ou
vecteurs de forces, sont des
particules d'interaction.
Elles sont indépendantes, indiscernables, et obéissent à la
statistique de Bose Einstein,
c’est-à-dire qu'elles peuvent se
superposer à un nombre quelconque dans le même état quantique.
Les bosons sont des particules auxquelles le
principe d’exclusion de Pauli
ne s’applique pas. Le spin de ces particules est entier ou nul :
NOM |
MASSE |
SPIN |
INTERACTION(S) |
photon |
0 MeV |
1 |
Force Electromagnétique |
gluon |
0 MeV |
1 |
Force Nucléaire Forte |
graviton |
0 MeV |
2 |
Force Gravitationnelle |
W+ |
entre 79810 et 80427 MeV |
1 |
Force Faible |
W- |
entre 79810 et 80427 MeV |
1 |
Force Faible |
Z0 |
entre 91175 et 94000 MeV |
1 |
Force Faible |
Higgs |
entre 110 et 135 Gev |
0 |
Force Faible |
En 1905, Einstein avança l’hypothèse que la lumière peut être considérée comme un flux de particules élémentaires appelées quanta ou photons, évoluant à la vitesse c = 300 000 km.s-1. Le photon a une masse nulle, il est aussi sa propre antiparticule. Il représente la plus petite unité, le quantum, dans laquelle les ondes absorbées ou émises par de la matière peuvent se diviser. Il est définit comme étant une onde électromagnétique, c'est à dire une oscillation de champs électrique et magnétique associés.
Le
photon est un concept utilisé pour représenter les
interactions entre les rayonnements électromagnétiques
(notamment la lumière, les ultraviolets et les rayons X..)
et la matière. Ainsi, un
photon associé à un rayonnement électromagnétique de fréquence u possède une
énergie E = hu,
où h est la constante de Planck.
Cette énergie peut se traduire par de la
lumière visible, mais
également par des rayonnements
électromagnétiques d'autre nature:
Les
gluons sont les
médiateurs hypothétiques de l’interaction
forte, ou plus précisément à la
force de couleur qui
s'exerce entre les quarks; ils sont comme de la "colle" entre les quarks qui
composent les hadrons. Selon le modèle standard, il existe
8 sortes de gluons, tous
de masse nulle. Un gluon serait
toujours associé à une couleur et à une anticouleur;
lorsqu'il est échangé entre deux quarks, il va donc échanger les couleurs de ces
derniers.
Le graviton,
médiateur hypothétique de l’interaction
gravitationnelle; la particule fut postulée suite aux succès de
la mécanique quantique, elle fonctionnerait de manière similaire au photon; les
observations étant impossibles avec la technologie actuelle, il se peut que les
découvertes à venir démentissent son existence.
Les bosons intermédiaires,
W+,
W-
et Z0,
sont les médiateurs de l’interaction
faible. Contrairement aux autres bosons de masse nulle, les
particules virtuelles médiatrices de l'interaction faible sont environ
100 fois plus massives que le proton.
Ces bosons s'obtiennent en projetant l'un contre l'autre 2 fermions (protons par
exemple) accélérées.
Le « boson de Higgs
» est la particule hypothétique qui
engendrerait la masse des particules
ordinaires en se couplant à elles. C'est la particule de
spin 0, neutre, qui jouerait un rôle fondamental dans la théorie électrofaible.
On a cependant émis l'hypothèse que le champ de Higgs ne correspondrait pas à
une particule élémentaire mais à un état lié de particules inconnues: dans ce
cas, il se manifesterait par l'intermédiaire d'interactions encore inconnues.
Les hadrons
de type mésons, par
leur spin entier, font partie intégrante de la grande famille des
bosons.
Les fermions représentent un grand groupe composé de toutes les particules obéissant à la statistique de Fermi Dirac. Les fermions sont donc des particules indépendantes et indiscernables obéissant au principe d’exclusion de Pauli, c’est-à-dire qu’il ne peut pas y avoir, dans un système donné, plus d’une particule dans chaque état quantique (état énergétique). Le spin de ces particules est toujours demi-entier.
FERMIONS
|
BOSONS
|
||
leptons |
baryons |
mésons |
|
|
HADRONS |
|
|
Récapitulatif des particules (elles possèdent aussi leurs antiparticules).
FERMIONS : |
Charge : |
Masse : |
Interactions : |
Observations : |
Quark up |
+2/3 e- |
1.5 à 5 MeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Stable |
Quark Down |
-1/3 e- |
4 à 8 Mev |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Stable |
Neutrino électronique |
0 |
< 1eV |
Faible et Gravitationnelle. |
Stable |
Electron |
1e (-1.6.E-19 C) |
511 KeV |
Faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Stable |
Quark Etrange |
-1/3 e |
80 à 130 MeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable |
Quark Charmé |
+2/3 e |
1.3GeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable |
Muon |
-e |
105MeV |
Faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable 10E-6sec |
Neutrino muonique |
0 |
< 1eV |
Faible et gravitationnelle. |
Stable |
Quark beauté |
-1.3e |
4GeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable |
Quark Top |
+2/3e |
171GeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable |
Tau |
-e |
1.7GeV |
Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. |
Instable 3E-13 sec |
Neutrino Tauique |
0 |
<1eV |
Faible et gravitationnelle. |
Stable |
BOSONS |
|
|
|
|
Photon |
0 |
0 |
Médiateur force électromagnétique |
Stable |
Gluons |
0 |
0 |
Médiateur interaction forte |
Oui |
Bosons W+ |
+e |
80GeV |
Médiateur interaction faible |
Instable < 3E-25 sec |
Bosons W- |
-e |
80Gev |
Médiateur interaction faible |
Instable < 3E-25 sec |
Bosons Zo |
0 |
91 GeV |
Médiateur interaction faible |
Instable < 3E-25 sec |
Bosons de Higgs Z |
? |
-/+ 125 Gev |
Médiateur interaction faible |
Instable < 3E-25 sec |
Graviton |
0 |
0 |
Médiateur de la gravitation |
Oui |
2 Q up + 1 Q Down = proton +2/3+2/3-1/3= 3/3=1
2 Q Down + Q up= -1/3-1/3+2/3=0
(les gluons permettent la stabilité des Quarks entre eux, interaction forte)
Toutes les particules sensibles aux interactions fortes sont des hardons
Autre façon de voir : si on prend
une boite et qu'on y met
des fermions,
il arrivera un moment où elle sera
pleine et il ne sera
alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à
l'infini alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boite pour des
bosons, les vecteurs d'interaction.