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La matière

La physique des particules... avec ce dossier, voyagez au cœur de la matière !

 

1. Introduction générale

La physique des particules est sans doute la branche de la physique qui attire le plus de chercheurs de nos jours tant les découvertes effectuées sont importantes et permettent enfin d'expliquer des énigmes jusqu'alors irrésolues. Cette quête de nouvelles réponses a commencé vers la fin du 19e siècle lorsqu'on a découvert que les atomes (mot d'origine grecque signifiant insécable) étaient justement composés de plusieurs éléments plus petits. On a ensuite montré que certains constituants des atomes eux-mêmes (c'est-à-dire les protons et les neutrons) étaient divisibles. Ces découvertes ont amené à la création d'un nouveau domaine de la physique : la physique quantique. Grâce aux résultats apportés par celle-ci on a pu découvrir de nouvelles particules subatomiques et même dégager des analogies entre ces différentes particules. On est alors parvenu à une certaine classification de ces particules que nous allons étudier ici.

 


2. Les différentes particules subatomiques

2.1 Les Bosons Vecteurs

Les bosons vecteurs sont comme leur nom l'indique les vecteurs d'interactions entre les particules. Il y a 4 interactions dans le monde de la physique des particules et les théories actuelles prévoient que toutes s'expriment par les bosons. On retrouve ci-dessous le tableau des différents bosons :

Nom Masse (GeV) Q (charge) Spin
gamma (photon) 0 0 1
Z0 91.19 0 1
W+ 80.33 1 1
W- 80.33 -1 1
g (graviton) 0 0 2

 

L'Interaction Forte. Le Premier type de boson est le vecteur de l'interaction forte : le gluon. L'interaction forte agit sur les constituants des nucléons (protons ou neutrons): les quarks et les anti-quarks. Elle s'explique par la chromodynamique quantique (QCD). Les quarks et les anti-quarks sont caractérisés par une charge de couleur. Le gluon est en fait émis depuis un quark emportant avec lui la charge de couleur de celui-ci. Il transmet alors celle-ci au quark cible emportant en échange l'ancienne charge avec lui. Le gluon permet donc d'échanger la couleur de deux quarks. Il existe 8 gluons différents, chacun porteur d'une couleur et d'une anti-couleur (on a ainsi un gluon rouge et anti-rouge, vert et anti-vert ,bleu et anti-bleu, mais aussi bleu et anti-rouge etc...). Ils sont de masse nulle et n'ont jamais été détectés.

La Gravitation. Elle agit sur tous les constituants suivant leur énergie et leur masse. Elle est toujours présente mais négligeable au niveau des particules (10^-39 fois plus faible que force électrostatique (voir pour exemple le calcul sur l'électron document (4)). La théorie de la gravitation d'Einstein en relativité générale prévoit l'existence d'ondes gravitationnelles qui n'ont pas encore été détectées. On suppose l'existence de son quantum, le graviton. Il aurait été observé dans le ralentissement de la rotation d'un pulsar. Sa masse serait nulle, et son spin de 2. Mais, la liaison entre gravitation et physique des particules n'est pas encore définitivement acquise.

L'Interaction électromagnétique. Le boson vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Cette interaction agit sur la charge des particules et est responsable de la structure atomique car elle lie entre eux les constituants de l'atome : elle est a l'origine des liaisons entre le noyau et les électrons. Le photon a une masse nulle : il ne peut donc se désintégrer en particules plus légères et est donc complètement stable. Son spin est de 1. On peut l'observer dans le rayonnement électromagnétique émis lors de l'annihilation d'un électron et d'un positon : (e+) + (e-) -> q + `q + g. Dans cette réaction, les électrons qui disparaissent et les quarks qui apparaissent subitement donnent lieu à une variation brusque du courant électrique qui engendre un champ électromagnétique pouvant se manifester par l'apparition d'un ou plusieurs photons. On peut d'ailleurs noter qu'un mécanisme du même type donne lieu à l'émission de gluons : .(e+) + (e-) -> q + `q + g ,le gluon étant le quantum du champ de couleur.

L'Interaction faible. Toutes les Particules de matière, quarks, hadrons et leptons, quelque soit leur charge électromagnétique, subissent l'interaction faible. Celle-ci change la saveur (c'est d'ailleurs la seule interaction qui le permet) et la charge électromagnétique, mais ignore la charge de couleur des quarks. Par exemple, sous l'effet de celle-ci, un électron devient un neutrino, tandis qu'un quark u deviendra un quark d. Il y a 3 bosons vecteurs : W+, W- et Z dont l'existence fut postulée par Glashow en 1961 et observée pour la 1ère fois au CERN en 1982-1983. Ces 3 bosons ont un spin de 1 et une masse très élevée :

MW+ =Mw- = 80.3 GeV Mz = 91.2 GeV

Et c'est à cause de la masse élevée de ses bosons vecteurs que la portée de l'interaction faible est très limitée. L'explication de cette relation masse des bosons / portée de l'interaction provient de l'origine même du boson. Celui-ci est issu d'un phénomène de "fluctuations quantiques du vide". En effet : le vide est l'état d'énergie le plus bas, il est " ce qui reste quand on a tout enlevé ", et est donc entièrement composé d'énergie. Une de ses propriétés fondamentales réside dans sa faculté à " prêter " de l'énergie, pour permettre la création d'une paire particule/antiparticule ou d'un boson vecteur : ce sont les " fluctuations quantiques " . Ceci permet ainsi notamment la possibilité de voir apparaître un champ dans le vide dont la valeur moyenne est nulle. Mais, cette propriété de " nullité moyenne " peut ne pas être respectée par tous les champs, et, si dans la théorie électrofaible, les bosons vecteurs ont une masse nulle, la présence du champ de Higgs dans le vide, dont la valeur moyenne n'est pas nulle, leur confère une grande masse. Cependant, l'acquisition d'une masse par ce boson viole la relation de conservation de l'énergie du vide. Or, d'après le principe d'incertitude d'Heisenberg, la relation temps de violation/énergie est alors : DE.Dt = hr. D'où on en déduit la portée de l'interaction faible qui est de l'ordre de 10^-38 m.

A chaque force est donc associée son (ou ses) boson(s) , vecteur de cette interaction. Il est cependant à noter que l'on soupçonne fortement l'existence d'un autre type de Boson, le boson de Higgs, à la masse très élevée et qui générerait le champ de Higgs déjà cité, ce qui porterait à 5 le nombre de famille de cette catégorie.

La Deuxième Catégorie de particules subatomiques est celle que constitue l'ensemble des quarks.

 

2.2 Les Quarks

Constituant fondamental de la matière, son existence fut proposée en 1966, le premier quark étant observé expérimentalement en 1975. On connaît actuellement 6 types de quarks dont le dernier fut découvert en 1997. On retrouve ci-dessous le tableau des différents quarks :

Nom Masse (GeV) Q (charge) Spin (S,C,B,T)
u (up) 8 2/3 ½ (0,0,0,0)
d (down) 15 -1/3 ½ (0,0,0,0)
s (strange) 300 -1/3 ½ (-1,0,0,0)
c (charm) 1 600 2/3 ½ (0,1,0,0)
b (bottom) 4 500 -1/3 ½ (0,0,-1,0)
t (top) 175 000 2/3 ½ (0,0,0,1)

...avec S: Etrangeté , C : le Charme , B : bottom , T : Top les saveurs des quarks

 

Les quarks se caractérisent essentiellement par leur masse, leur charge fractionnaire - celle-ci ne pouvant prendre que 2 valeurs : 2/3 e ou -1/3 e (e=charge de l'électron) - , et leur parfum, permettant une division en 6 familles : up, down, bottom ..

Les combinaisons des éléments de ces 6 divisions forment la plus vaste famille de particules élémentaires : les hadrons. Cette famille se décompose en 2 classes de particules :

  • les baryons : ils sont formés d'un système de 3 quarks tenu par l'interaction forte. Leur charge est entière, variant de -1 à 2.
  • les mésons : Ils sont formés d'un système quark / anti-quark en interaction forte, de charge -1,0 ou 1.

On peut retrouver ci dessous le tableau des principaux hadrons :

Principaux hadrons

Une autre propriété des quarks est la suivante : on ne peut trouver un quark seul. Cette propriété très particulière est appelée "confinement des quarks dans les hadrons". Elle s'explique par le fait qu'il faudrait théoriquement une force infinie pour briser le lien crée par l'interaction forte (donc par les gluons).

En effet, si, à petite distance (petite devant 10^-15m), le potentiel de la force est en 1/r (c'est un potentiel dit Coulombien), à plus grande distance, il est en O(r). Ainsi, le potentiel, c'est à dire l'énergie que devrait fournir un opérateur fictif pour amener le quark en un point, tend vers l'infini quand on cherche à amener le quark en l'infini.

Il est cependant à noter que ce modèle des quarks n'est pas toujours accepté comme une subdivision ultime de la matière. Ainsi, certains scientifiques émettent-ils par exemple l'hypothèse d'une subdivision des quarks en 3 éléments de charge +/- 1/6, cette hypothèse permettant de garder intactes toutes les propriétés des quarks, leur indivisibilité mise à part. Mais, au stade ou nous en sommes, il faut savoir que toutes ces hypothèses sont invérifiables (il n'est même pas possible d'isoler un quark..), les éléments mis en jeu étant bien entendu parfaitement inobservables.

La troisième, et dernière famille de particules subatomiques est celle constituée par la famille de l'électron, les leptons.

 

2.3 Les Leptons

Troisième type de particules fondamentales, les leptons ne sont soumis qu'aux interactions faibles, subissant l'interaction électromagnétique faible seulement s'ils sont chargés. Le représentant le plus connu de cette famille est sans doute l'électron. Il existe en fait 3 types de leptons : les leptons électroniques (électron) , les leptons muoniques (le muon), et le lepton tau. A chacun d'entre eux correspond un neutrino, de masse quasi-nulle et de charge neutre. On peut les retrouver sur le tableau ci-dessous :

Nom Masse (GeV) Q (charge) Spin (Le,Lm,Lt)
Electron 0.511 -1 ½ (1,0,0)
Neutrino électr. 0 ? 0 ½ (1,0,0)
Muon 105.66 -1 ½ (0,1,0)
Neutrino muoniq. ? 0 ½ (0,1,0)
Tau 1 777 -1 ½ (0,0,1)
Neutrino Tauiq. ? 0 ½ (0,0,1)

On peut ainsi remarquer qu'il n'existe que 2 types de charges : 0 ou -1 , et que les leptons ont le même spin que les quarks.

Une autre propriété des leptons est la conservation du nombre leptonique par toutes les interactions. Il existe 3 nombres de ce type : électronique, tauique, muonique, défini comme suit :

Ne = Ne¯ + N(neutrino electr.)+ N(positon) + N(antineutrino elc.)

De même pour les autres nombres…

Mais, ce modèle des particules, appelé, modèle Standard, n'est ni fini, ni totalement défini. Ainsi, des incertitudes subsistent encore sur pas mal de point. Un des problèmes majeurs actuellement est ainsi la détermination de la masse des neutrinos, ces particules qui pourraient constituer une partie de la masse cachée de l'univers et nous donner ainsi des informations plus précises quand à son devenir.

 


3. Les problèmes actuels : la masse des neutrinos

La découverte des neutrinos a ainsi été réalisée à la suite de l'étude de la désintégration du proton : n -> p + e(-) .

Dans le cas d'une désintégration en 2 corps du type a -> b1 + b2 , avec Va=0 , les équations de la relativité nous permettent d'établir la vitesse, l'énergie, et l'impulsion des produits. En effet, en écrivant la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement :

p1 + p2 = 0

E1 + E2 = ma.c²

et avec E = m²c + p²c² on obtiendra

 

 

 

c².(m1² + ma² - m2² )

E1

=

------------------------------

 

 

2. ma

 

 

 

c².(m2² + ma² - m1² )

E2

=

------------------------------

 

 

2.ma

 

On obtenait ainsi, dans la désintégration proposée, une énergie de 0,8 MeV pour l'électron, non conforme avec les mesures expérimentales. C'est ainsi qu'on a introduit le neutrino, la réaction réelle étant la suivante : n -> p + e(-) +antineutrino.elec (désintégration béta du neutron).

Depuis la fin des années 70 a ainsi, grâce à l'étude de cette réaction, été possible la mise au point d'une méthode de calcul de masse. Dans cette désintégration, on mesure avec un spectromètre magnétique l'impulsion ou l'énergie des électrons qui s'échappent. Cette énergie présente l'allure d'un spectre continu qui va de zéro à une valeur maximale égale à la différence d'énergie entre l'atome père et l'atome fils. Et c'est là qu'intervient le neutrino : s'il a une masse, même si son impulsion est nulle au sortir de la désintégration , il faudra soustraire la valeur de cette masse à l'énergie maximale possible de l'électron. L'existence des neutrinos a d'ailleurs été postulée par Pauli pour que le principe de conservation de l'énergie soit vérifié lors de cette désintégration.

Il y aura donc une légère modification du spectre de l'électron.

En 1936, le physicien américain Frank Kurie propose une représentation graphique simple du spectre de l'électron. Celle-ci est en fait obtenue en traçant la racine carrée du nombre d'événements divisé par le carré de l'impulsion, en fonction de l'énergie de l'électron. C'est cette représentation que l'on retrouve sur le document suivant.

Représentation graphique simple du spectre de l'électron

Ainsi, si le neutrino a une masse, si faible soit-elle, la droite s'incurvera légèrement et interceptera l'axe un peu avant la valeur maximale possible. La différence entre ces 2 valeurs représentera alors simplement la masse du neutrino. Cependant, cette belle méthode théorique se révèle parfois délicate à mettre en œuvre, pour 2 raisons majeures très simples :

  • Tout d'abord, le point où la droite intercepte l'axe correspond à un nombre d'évènements très faibles : l'appareil devra donc fonctionner suffisamment longtemps, au risque de dérives systématiques.
  • La seconde est que la précision des mesures doit évidemment être meilleure que la masse des neutrinos... Or, le meilleur spectromètre a ses limites.

Grâce à cette méthode, on n'obtient donc à l'heure actuelle qu'une majoration de la masse des neutrinos. On obtient ainsi :

M(ue) <10 eV

De même, on peut majorer la masse des 2 autres types de neutrinos : M(um) < 250 keV et M(ut)< 35 MeV

 

 


4. Conclusion

Le modèle Standard actuel prévoit donc l'existence de 25 particules subatomiques, auxquelles il faudra peu t être bientôt ajouté l'hypothétique boson de Higgs, quantum du champ de Higgs qui donne la masse des particules, et dont la découverte, sans cesse annoncée comme imminente, garantira le prix Nobel à son découvreur. Cependant, ce modèle est loin d'être un modèle fini et achevé. Si on a déjà soulevé le problème de la divisibilité des quarks, d'autres interrogations apparaissent également dès que l'on s'attache à comparer les particules entre elles, laissant présager un changement profond dans le monde de la physique des particules. Ainsi, le parallèle facile à établir entre quarks et leptons a-t'il permis de supposer que ceux-ci ne seraient qu'une même famille de particules super-symétriques , où leptons et quarks, alors appelés s-leptons et s-quarks (s pour super-symétriques ) ne seraient que 2 représentations d'une même particule. Au delà de cette idée de particules super-symétriques se cache ainsi l'adversaire le plus en vogue du modèle Standard : la (les : il y en a plusieurs versions) théorie (s) des cordes, annoncée comme le moyen d'unifier et de concilier les 2 grandes théories du 20ème siècle, à savoir relativité générale et la mécanique quantique. La plus prometteuse d'entre elle prévoit ainsi que notre univers serait en réalité composé de 11 dimensions, dont 7 enroulées sur elles même, et permet de décrire l'ensemble des particules élémentaires uniquement grâce à l'intervention de super-cordes vibrantes, de taille 10-33 cm, et dont les différents modes de vibration donnerait l'ensemble des particules du modèle Standard.

 

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