branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière, leurs rayonnements, et leurs interactions De Wikipédia, l'encyclopédie libre
La physique des particules ou la physique subatomique est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes énergies parce que de nombreuses particules élémentaires, instables, n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules stables dans les accélérateurs de particules.
La découverte du boson de Higgs a permis le consensus et la mise à jour en 2014 du tableau des composants de la matière qui avait été établi en 2005 à l'occasion de l'année mondiale de la physique[1].
L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du VIe siècle av. J.-C. À l'époque, elle reposait au fond sur l'incapacité à maîtriser la notion de continu : voir les paradoxes de Zénon d'Élée.
La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite et Épicure. Bien qu'au XVIIe siècle, Isaac Newton ait pensé que la matière est composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules. Cette hypothèse ne devint réellement scientifique qu'à partir du moment où l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)
En 1869, le premier tableau périodique des éléments de Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalant durant tout le XIXe siècle que la matière était faite d'atomes.
Les travaux de Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.
Au XXe siècle, les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, avec les preuves spectaculaires de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, donnèrent naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or.
Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules ont été trouvées lors d'expériences de collision : un « zoo de particules » (voir dans l'historique). Cette expression perdit de son attrait après la formulation du modèle standard dans les années 1970, car le grand nombre de ces particules put être conçu comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales, encore que le calcul des propriétés des particules composées en soit encore à ses balbutiements, et que les nombreux paramètres du modèle standard n'aient pas trouvé d'explication satisfaisante pour leurs valeurs.
Les particules élémentaires peuvent être classées en différentes sous-catégories en fonction de leurs propriétés.
Les leptons (du Grec leptos, léger, ainsi nommés parce que leurs masses sont relativement petites) sont caractérisés par les propriétés suivantes :
Les trois paires, familles ou générations de leptons connues sont :
Les hadrons (du grec hadros, « gros, épais ») sont caractérisés par les propriétés suivantes :
Les hadrons ne sont donc pas des particules fondamentales, mais plutôt des états liés de quarks. On en observe plus de 200. Ils peuvent être classés en deux groupes : les baryons, (du grec barus, lourd) auxquels on associe un nombre quantique spécial (le nombre baryonique), essentiellement constitués de trois quarks, et les mésons, (du grec mesos, « moyen ») responsables des interactions fortes « résiduelle » entre hadrons, et auxquels on donne le nombre baryonique 0, car ils sont composés d'un quark et d'un antiquark.
Voici les hadrons les plus fréquemment observés (baryons de spin 1/2, mésons de spin 0 et baryons de spin 3/2) – sur ces figures, l'axe vertical, orienté vers le bas, donne l'étrangeté S , l'axe horizontal I3 la composante d'isospin, et l'axe oblique Q la charge électrique ; les particules sont représentées par les cercles roses, et leur(s) symbole(s) figure à côté ; les cercles divisés en deux représentent les deux particules indiquées en regard, qui diffèrent par diverses propriétés, notamment leur masse, non représentées sur ces diagrammes. Enfin, le contenu principal en quarks est indiqué à l'intérieur de chaque cercle :
« Octet » de 8 baryons assez semblables. Ceci correspond à des propriétés de symétrie entre les quarks composants, se reflétant notamment sur la différence de masse entre les deux éléments centraux Λ0 et Σ0.
Étrangeté 0 | neutron et proton (nucléons) | |
Étrangeté 1 | 3 Sigma | |
Étrangeté -1 | 1 Lambda | |
Étrangeté 2 | 2 Xi |
Ce « nonet » de 9 mésons assez semblables se divise en un « octet » de 8 et un « singulet ».
Étrangeté -1 | 2 kaons | |
Étrangeté 0 | 3 pions | |
Étrangeté 0 | 2 êtas | |
Étrangeté +1 | 2 anti-kaons |
Ici, la symétrie entre les membres du décuplet est plus frappante : l'axe de la charge électrique Q correspond bien, à une constante près, au nombre de quarks u, celui de l'étrangeté S au nombre de quarks s, et le troisième axe, non tracé, bissecteur entre les deux précédents, au nombre de quarks d.
Étrangeté 0 | 4 Delta | |
Étrangeté 1 | 3 Sigma excités | |
Étrangeté 2 | 2 Xi excités | |
Étrangeté 3 | 1 Omega |
Les quarks sont les particules fondamentales qui forment les particules observées :
On compte six types ou saveurs de quarks : up, down, strange, charm, top et bottom (ou truth et beauty pour des raisons historiques). Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes, sauf pour ce qui est de leurs masses.
Quarks | Antiquarks | ||
---|---|---|---|
Q = 2/3 | Q = −1/3 | Q = -2/3 | Q = 1/3 |
(up) | (down) | (anti-up) | (anti-down) |
(charm) | (strange) | (anti-charm) | (anti-strange) |
(top) | (bottom) | (anti-top) | (anti-bottom) |
De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées ; il en existe trois de chaque. En 2007, il semble que seuls des arguments de symétrie viennent appuyer cette assertion.
Les gluons sont les particules fondamentales qui assurent la cohésion des hadrons en liant les quarks entre eux :
On ne compte que huit gluons, qui interagissent avec tous les types ou saveurs de quarks, mais également entre eux, puisqu'ils sont eux-mêmes colorés. Ceci rend les calculs mathématiquement très compliqués, d'où le fait que les progrès sur l'architecture des particules soient très lents, bien que la théorie soit formellement connue.
En raison de l'intensité de l'interaction forte, les quarks et gluons, étant colorés, subissent le confinement de couleur, qui fait que l'on ne peut pas les observer isolément. Seules des combinaisons où toutes les couleurs se compensent (combinaisons blanches) peuvent constituer des hadrons libres.
L'ensemble des particules élémentaires semble pouvoir se décomposer en trois familles (ce nombre de trois est un paramètre fondamental du modèle standard, à ne pas confondre avec le nombre de couleurs portées par les quarks, autre paramètre fondamental) :
La mécanique quantique introduit la notion de moment cinétique intrinsèque d'une particule, le spin. Il peut prendre des valeurs qui sont des multiples de . Il détermine également le type de statistique auquel est soumise la particule.
La notion d'antiparticule fut proposée par Paul Dirac en 1928. Certaines solutions de l'équation qui porte son nom apparaissent comme portant une énergie négative. Dirac interpréta ces solutions ainsi : en fait l'espace vide est l'ensemble de toutes ces solutions. Si l'on apporte suffisamment d'énergie à une partie du vide représentée par une de ces solutions, elle devient une solution d'énergie positive, et laisse sa place vacante. Le trou laissé vacant par cette solution d'énergie positive apparaît comme une particule d'énergie négative, et dont toutes les propriétés (charge électrique, par exemple) sont opposées à celles des solutions normales. C'est ce qu'on appelle une antiparticule.
Une antiparticule se caractérise donc par :
Par convention, l'antiparticule est désignée par une barre supérieure, ce qui n'est utile que si on ne peut pas la distinguer par sa charge. Par exemple, on pourrait écrire :
La mécanique classique et la théorie quantique des champs ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.
et
Les états transitoires sont appelés « virtuels », par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que : si est limité, alors l'énergie n'est conservée qu'à des écarts près.
L'interaction électromagnétique se caractérise par les propriétés suivantes :
Les manifestations typiques de l'interaction faible sont :
Interactions | ||||
---|---|---|---|---|
faibles () |
électromagnétiques () |
fortes () | ||
Réaction | 1 | 0 | 0 | |
1/2 | 1 | 0 | ||
10−10 s | 10−19 s | 5 × 10−24 s |
où est le changement du nombre quantique d’étrangeté, celui de spin isotopique, et est la vie moyenne ou durée des interactions. L'interaction forte doit conserver S et I, l'électromagnétique S, mais pas I, et la faible, aucune des deux. D'où la possibilité pour l'une ou pour l'autre de dominer le processus.
Les interactions faibles sont alors caractérisées par les propriétés suivantes :
Les interactions électromagnétique et faible (électrofaibles) sont unifiées dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais à basse énergie, la symétrie est brisée et les deux forces apparaissent bien distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible gW et l’échange des bosons de jauge W± et Z0. Les réactions faibles sont caractérisées par une amplitude de probabilité de la forme :
Amplitude ≈ g2W/(q2 – M2W,Z)
où q2 est le carré de la quadri-impulsion transférée par l’échange du quantum.
Dans la limite q2 → 0, la théorie de Glashow-Weinberg-Salam se ramène à la théorie des interactions faibles de Fermi (1935), où les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force GF, la constante de Fermi : .
Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la théorie de Fermi d’être renormalisable, c'est-à-dire d'avoir un comportement calculable à haute énergie (aux masses des W et Z et au-dessus).
C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e. m.).
L'interaction électrofaible est l'interaction qui unifie l'électromagnétisme et l'interaction faible.
L'interaction forte est fréquente dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elle implique, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision dont la durée est d’environ τ = 10−23 s. Les interactions fortes sont caractérisées par les propriétés suivantes :
Il n’existe pas actuellement une théorie de la gravité quantique satisfaisante du point de vue de la phénoménologie, bien que la théorie des supercordes soit un bon candidat (la gravitation quantique à boucles cependant ne propose pas d'unifier la gravitation avec les autres interactions du modèle standard). En revanche, une théorie quantique gravitationnelle devrait posséder les caractéristiques suivantes :
particules élémentaires | fermions | leptons | Chargés | électron : |
muon : | ||||
tauon : | ||||
Neutrinos | électronique : | |||
muonique : | ||||
tauonique : | ||||
quarks | Charge +2/3 | up : | ||
charm : | ||||
top : | ||||
Charge -1/3 | down : | |||
strange : | ||||
bottom/beauty : | ||||
bosons | bosons de jauge | Électromagnétisme | photon : | |
Interaction faible | Boson Z : | |||
Boson W- : | ||||
Boson W+ : | ||||
Interaction forte | gluon | |||
bosons hypothétiques/confirmés | Gravitation | graviton | ||
Inflation | inflaton | |||
Int. él.-faible | boson de Higgs | |||
particules composées (hadrons) | baryons (fermions) | « légers » | nucléons | neutron : |
proton : | ||||
Autres | Delta : | |||
… | ||||
hypérons | S = - 1 | Lambda : | ||
Sigma : | ||||
S = - 2 | Xi : | |||
S= - 3 | Omega : | |||
baryons charmés C=1 | S=0 | Lambda-C : | ||
Sigma-C : | ||||
S = 1 | Xi-C : | |||
S = 2 | Omega-C : | |||
Baryons bottom | B=1 | Lambda-B : | ||
mésons (bosons) | « Légers » | S = 0 | pion : | |
êta : | ||||
rho : | ||||
phi : | ||||
S = 1 | kaon : | |||
Charmés | « Apparent » | Méson D : | ||
« Caché » | Méson J/ψ : | |||
Bottom | « Apparent » | Méson B : | ||
« Caché » | Méson upsilon : | |||
et bien d'autres … |
L'état actuel de la classification des particules élémentaires s'appelle le « modèle standard ».
Il décrit les forces fondamentales : fortes, faibles, et électromagnétiques en utilisant des bosons médiateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont respectivement les gluons, les bosons W± et Z et le photon.
Le modèle contient également 12 particules fondamentales qui sont les constituants de la matière : la famille des fermions qui se compose des quarks, des leptons, et leurs antiparticules.
Il prévoit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs.
Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :
Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées.
Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :
La probabilité de produire une interaction est constante le long de la trajectoire, et par suite le nombre de photons survivants décroît en série géométrique (exponentielle) le long de la distance parcourue.
La fraction des photons qui subsistent après avoir traversé une distance x est e-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm−1. C'est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions pour les divers composants du matériau.
L'absorption peut être paramétrée plus commodément par le coefficient d'atténuation massique µ/ρ exprimé en cm2/g, sensiblement indépendant de la densité ρ du matériau absorbant, et ne dépendant plus que de sa composition.
Les études sur les particules ont débuté par l'étude des rayonnements émis par les substances radioactives, et avec des détecteurs de particules portatifs ou de table permettant de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie.
On a eu tout d'abord recours à l'observation des rayons cosmiques, en altitude pour diminuer la dégradation causée par la traversée de l'atmosphère. Ceci a permis d'améliorer substantiellement les détecteurs, car il fallait augmenter leur surface, compte tenu du faible nombre de rayons cosmiques intéressants. On s'est alors tourné vers la construction des accélérateurs de particules, fournissant un faisceau homogène et bien calibré de particules dont on a progressivement su augmenter le niveau d'énergie. Parallèlement, les détecteurs ont progressé, afin d'étudier les interactions des particules ainsi produites.
Actuellement, les expériences de physique des particules sont menées par des équipes en collaborations internationales, qui se chargent de la construction des détecteurs spécifiques au genre d'expérimentation souhaité, et les installent auprès d'accélérateurs construits également par des collaborations internationales puissantes.
Les principaux sites d'accélérateurs internationaux sont :
De nombreux autres accélérateurs de particules existent.
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