11 : Physique des particules et cosmologie
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Au tout début de ce texte, nous avons discuté de la vaste gamme d'échelles qu'englobe la physique, des plus petites particules à la plus grande échelle possible : l'univers lui-même. Dans ce dernier chapitre, nous examinons certaines des frontières de la recherche à ces échelles extrêmes. La physique des particules traite des éléments constitutifs les plus fondamentaux de la matière et des forces qui les unissent. La cosmologie est l'étude des étoiles, des galaxies et des structures galactiques qui peuplent notre univers, ainsi que de leur histoire passée et de leur évolution future.
- 11.1 : Prélude à la physique des particules et à la cosmologie
- L'étude des particules élémentaires nécessite d'énormes énergies pour produire des particules isolées, impliquant certaines des plus grandes machines que l'homme ait jamais construites. Mais des énergies aussi élevées étaient présentes dès les premiers stades de l'univers et l'univers que nous voyons autour de nous aujourd'hui a été façonné en partie par la nature et les interactions des particules élémentaires créées alors. N'oubliez pas que la physique des particules et la cosmologie font actuellement l'objet d'intenses recherches et font l'objet de nombreuses spéculations.
- 11.2 : Introduction à la physique des particules
- Les quatre forces fondamentales de la nature sont, par ordre de force : nucléaire forte, électromagnétique, nucléaire faible et gravitationnelle. Les quarks interagissent via la force puissante, mais pas les leptons. Les quarks et les leptons interagissent via les forces électromagnétiques, faibles et gravitationnelles. Les particules élémentaires sont classées en fermions et en boson. Les fermions ont un spin semi-intégral et obéissent au principe d'exclusion. Les bosons ont un spin intégral et n'obéissent pas à ce principe.
- 11.3 : Lois relatives à la conservation des particules
- Les interactions entre particules élémentaires sont régies par des lois de conservation des particules, qui peuvent être utilisées pour déterminer quelles réactions et désintégrations des particules sont possibles (ou interdites). La loi de conservation du nombre de baryons et la loi de conversation des trois leptons sont valables pour tous les processus physiques. Cependant, la conservation de l'étrangeté n'est valable que pour les interactions nucléaires fortes et les interactions électromagnétiques.
- 11.4 : Quarks
- Six quarks connus existent : up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) et bottom (b). Ces particules sont des fermions à spin semi-intégral et à charge fractionnée. Les baryons se composent de trois quarks et les mésons d'une paire quark-antiquark. En raison de la force puissante, les quarks ne peuvent pas exister isolément. Des preuves de la présence de quarks ont été trouvées dans des expériences de diffusion.
- 11.5 : Accélérateurs et détecteurs de particules
- De nombreux types d'accélérateurs de particules ont été développés pour étudier les particules et leurs interactions. Il s'agit notamment des accélérateurs linéaires, des cyclotrons, des synchrotrons et des faisceaux qui entrent en collision. Les machines à faisceau entrant en collision sont utilisées pour créer des particules massives qui se désintègrent rapidement en particules plus légères. Des détecteurs polyvalents sont utilisés pour concevoir tous les aspects des collisions à haute énergie. Il s'agit notamment de détecteurs pour mesurer la quantité de mouvement et l'énergie des particules chargées et des photons.
- 11.6 : Le modèle standard
- Le modèle standard décrit les interactions entre les particules par le biais de fortes forces nucléaires, électromagnétiques et nucléaires faibles. Les interactions entre particules sont représentées par des diagrammes de Feynman. Un diagramme de Feynman représente les interactions entre les particules sur un graphe spatio-temporel. Les forces électromagnétiques agissent sur une longue distance, tandis que les forces fortes et faibles agissent sur une courte distance. Ces forces sont transmises entre les particules en envoyant et en recevant des bosons.
- 11.7 : Le Big Bang
- L'univers s'étend comme un ballon : chaque point s'éloigne d'un point sur l'autre. Les galaxies éloignées s'éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance. Ce taux est mesuré à environ 70 km/s/MPc. Ainsi, plus les galaxies sont éloignées de nous, plus leur vitesse augmente. Ces « vitesses de récession » peuvent être mesurées à l'aide du décalage de lumière Doppler. Selon les modèles cosmologiques actuels, l'univers a commencé avec le Big Bang il y a environ 13,7 milliards d'années.
- 11.8 : Évolution de l'univers primitif
- L'univers primitif était chaud et dense. L'univers est isotrope et en expansion. Le rayonnement de fond cosmique est la preuve du Big Bang. La grande partie de la masse et de l'énergie de l'univers n'est pas bien comprise.
Vignette : Un proton est composé de deux quarks up, d'un quark down et des gluons qui assurent la médiation des forces qui les « lient ». L'attribution des couleurs des quarks individuels est arbitraire, mais les trois couleurs doivent être présentes. Image utilisée avec autorisation (CC BY-SA 2.5 ; Arpad Horvath).