11.2 : Introduction à la physique des particules

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

Décrivez les quatre forces fondamentales et les particules qui y participent
Identifier et décrire les fermions et les bosons
Identifier et décrire les familles de quarks et de leptons
Distinguer les particules des antiparticules et décrire leurs interactions

La physique des particules élémentaires est l'étude des particules fondamentales et de leurs interactions dans la nature. Les personnes qui étudient la physique des particules élémentaires, c'est-à-dire les physiciens des particules, se distinguent des autres physiciens par l'échelle des systèmes qu'ils étudient. Un physicien des particules ne se contente pas d'étudier le monde microscopique des cellules, des molécules, des atomes ou même des noyaux atomiques. Ils s'intéressent aux processus physiques qui se produisent à des échelles encore plus petites que les noyaux atomiques. En même temps, ils abordent les mystères les plus profonds de la nature : comment est né l'univers ? Qu'est-ce qui explique la structure des masses dans l'univers ? Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière dans l'univers ? Pourquoi l'énergie et la dynamique sont-elles conservées ? Comment évoluera l'univers ?

Quatre forces fondamentales

Pour répondre à ces questions, il est important de comprendre les particules et leurs interactions. Les interactions entre particules sont exprimées en termes de quatre forces fondamentales. Par ordre décroissant de force, ces forces sont la force nucléaire forte, la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force gravitationnelle.

Force nucléaire puissante. La force nucléaire forte est une force d'attraction très puissante qui n'agit que sur de très courtes distances (environ\(10^{-15}m\)). La force nucléaire puissante est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Toutes les particules ne participent pas à la force nucléaire puissante ; par exemple, les électrons et les neutrinos n'en sont pas affectés. Comme son nom l'indique, cette force est beaucoup plus forte que les autres forces.
Force électromagnétique. La force électromagnétique peut agir sur de très grandes distances (elle a une portée infinie) mais ne représente que 1/100 de l'intensité de la force nucléaire puissante. Les particules qui interagissent par le biais de cette force sont dites « chargées ». Dans la théorie classique de l'électricité statique (loi de Coulomb), la force électrique varie en tant que produit des charges des particules en interaction et en tant que carré inverse des distances entre elles. Contrairement à la force forte, la force électromagnétique peut être attirante ou répulsive (les charges opposées s'attirent et les charges similaires se repoussent). La force magnétique dépend de façon plus complexe des charges et de leurs mouvements. L'unification de la force électrique et magnétique en une seule force électromagnétique (réalisation de James Clerk Maxwell) constitue l'une des plus grandes réalisations intellectuelles du XIXe siècle. Cette force est au cœur des modèles scientifiques de structure atomique et de liaison moléculaire.
Force nucléaire faible. La force nucléaire faible agit sur de très courtes distances\((10^{-15}m)\) et, comme son nom l'indique, elle est très faible. C'est à peu près\(10^{-6}\) la force d'une force nucléaire puissante. Cette force se manifeste notamment par des désintégrations de particules élémentaires et des interactions entre neutrinos. Par exemple, le neutron peut se désintégrer en neutrino de protons, d'électrons et d'électrons sous l'effet de la force faible. La force faible est d'une importance vitale car elle est essentielle pour comprendre la nucléosynthèse stellaire, le processus qui crée de nouveaux noyaux atomiques dans le cœur des étoiles.
Force gravitationnelle. Comme la force électromagnétique, la force gravitationnelle peut agir sur des distances infiniment grandes ; cependant, elle est\(10^{-38}\) aussi puissante que la force nucléaire puissante. Dans la théorie classique de la gravité de Newton, la force de gravité varie en tant que produit des masses des particules en interaction et en tant que carré inverse de la distance qui les sépare. Cette force est une force d'attraction qui agit entre toutes les particules ayant une masse. Dans les théories modernes de la gravité, ce comportement de force est considéré comme un cas particulier pour les interactions macroscopiques à basse énergie. Comparée aux autres forces de la nature, la gravité est de loin la plus faible.

Les forces fondamentales ne sont peut-être pas vraiment « fondamentales » mais peuvent en fait être des aspects différents d'une même force. Tout comme les forces électriques et magnétiques ont été unifiées en une force électromagnétique, les physiciens ont unifié dans les années 1970 la force électromagnétique avec la force nucléaire faible en une force électrofaible. Toute théorie scientifique qui tente d'unifier la force électrofaible et la force nucléaire forte est appelée grande théorie unifiée, et toute théorie qui tente d'unifier les quatre forces est appelée théorie du tout. Nous reviendrons sur le concept d'unification plus loin dans ce chapitre.

Classifications des particules élémentaires

Un grand nombre de particules subatomiques existent dans la nature. Ces particules peuvent être classées de deux manières : la propriété de spin et la participation aux quatre forces fondamentales. Rappelons que le spin d'une particule est analogue à la rotation d'un objet macroscopique autour de son propre axe. Ces types de classification sont décrits séparément ci-dessous.

Classement par spin

Les particules de matière peuvent être divisées en fermion s et boson s. Les fermions ont un spin semi-intégral\((\frac{1}{2}\hbar, \frac{1}{2}\hbar,. . . )\) et les bosons ont un spin intégral\((0\hbar, 1\hbar, 2\hbar, . . . )\).

Les électrons, les protons et les neutrons sont des exemples familiers de fermions. Un exemple familier de boson est un photon. Les fermions et les bosons se comportent très différemment en groupe. Par exemple, lorsque les électrons sont confinés dans une petite région de l'espace, le principe d'exclusion de Pauli stipule qu'aucun électron ne peut occuper le même état de mécanique quantique. Cependant, lorsque les photons sont confinés dans une petite région de l'espace, cette limitation n'existe pas.

Le comportement des fermions et des bosons en groupes peut être compris en termes de propriété d'indiscernabilité. Les particules sont dites « indiscernables » si elles sont identiques les unes aux autres. Par exemple, les électrons sont impossibles à distinguer parce que chaque électron de l'univers a exactement la même masse et le même spin que tous les autres électrons : « quand on voit un électron, on les voit tous ». Si vous changez deux particules impossibles à distinguer dans la même petite région de l'espace, le carré de la fonction d'onde qui décrit ce système et peut être mesurée\((|\psi|^2)\) reste inchangé. Si tel n'était pas le cas, nous pourrions savoir si les particules avaient été commutées ou non et la particule ne serait pas vraiment impossible à distinguer. Les fermions et les bosons diffèrent selon que le signe de la fonction\((\psi)\) ondulatoire, qui n'est pas directement observable, change :

\[\psi \rightarrow - \psi \, (indistinguishable \, fermions), \nonumber \]

\[\psi \rightarrow + \psi \, (indistinguishable \, bosons). \nonumber \]

Les fermions sont dits « antisymétriques lors de l'échange » et les bosons sont « symétriques lors de l'échange ». Le principe d'exclusion de Pauli est la conséquence de la symétrie d'échange des fermions, une connexion développée dans un cours plus avancé de physique moderne. La structure électronique des atomes repose sur le principe d'exclusion de Pauli et est donc directement liée à l'impossibilité de distinguer les électrons.

Classification par interactions de force

Les fermions peuvent être divisés en quark s et lepton s. La principale différence entre ces deux types de particules est que les quarks interagissent par l'intermédiaire de la force forte, ce qui n'est pas le cas des leptons. Les quarks et les leptons (ainsi que les bosons dont il sera question plus loin) sont organisés dans la figure\(\PageIndex{1}\). Les deux rangées supérieures (les trois premières colonnes en violet) contiennent six quarks. Ces quarks sont organisés en deux familles de particules : up, charm et top (u, c, t), et down, strange, et bottom (d, s, b). Les membres d'une même famille de particules partagent les mêmes propriétés mais diffèrent en termes de masse (indiquée en\(MeV/c^2\)). Par exemple, la masse du quark top est bien supérieure à celle du quark charme, et la masse du quark charme est bien supérieure à celle du quark up. Tous les quarks interagissent entre eux par le biais de la puissante force nucléaire.

Il s'agit d'un tableau composé de quatre lignes et de quatre colonnes. Les trois premières cellules des première et deuxième rangées sont appelées quarks. Les trois premières cellules des troisième et quatrième rangées sont étiquetées leptons. La dernière colonne est intitulée bosons, forces. Chaque cellule porte le nom d'une particule, son symbole, sa masse, sa charge et son spin. Dans la première rangée, ces valeurs, dans cet ordre, sont les suivantes : cellule 1 : haut, u, 2,4 MeV, 2 par 3, 1 par 2 ; cellule deux : charme, c, 1,27 GeV, 2 par 3, 1 par 2 ; cellule trois, haut, t, 171,2 GeV, 2 par 3, 1 par 2 ; cellule quatre : photon, gamma, 0, 0, 1. Dans la deuxième ligne, ces valeurs, dans cet ordre, sont les suivantes : cellule 1 : vers le bas, d, 4,8 MeV, moins 1 par 3, 1 par 2 ; cellule deux : étrange, s, 104 MeV, moins 1 par 3, moins 1 par 3, moins 1 par 3, moins 1 par 3, moins 1 par 2 ; cellule trois : bas, b, 4,2 GeV, moins 1 par 3, 1 par 2 ; cellule quatre : gluon, 0, 0, 1. Dans la troisième ligne, ces valeurs, dans cet ordre, sont les suivantes : cellule 1 : neutrino électronique, indice v e, inférieur à 2,2 eV, 0, 1 par 2 ; cellule deux : neutrino muon, indice v mu, inférieur à 0,17 MeV, 0, 1 par 2 ; cellule trois : neutrino tau, indice v tau, inférieur à 15,5 MeV, 0, 1 par 2 ; cellule quatre : force faible, z élevé à 0, 91,2 GeV, 0,1. Dans la quatrième ligne, ces valeurs, dans cet ordre, sont les suivantes : cellule 1 : électron, e, 0,511 MeV, moins 1, 1 par 2 ; cellule deux : muon, mu, 105,7 MeV, moins 1, 1 par 2 ; cellule trois : tau, tau, 1,777 GeV, moins 1, 1 par 2 ; force faible, w plus moins, 80,4 GeV, plus moins 1, 1. — Figure\(\PageIndex{1}\) : Les familles de particules subatomiques, classées selon le type de forces avec lesquelles elles interagissent. (crédit : modification de l'œuvre par « MissMJ » /Wikimedia Commons)

La matière ordinaire comprend deux types de quarks : le quark up (charge élémentaire\(q = +2/3\)) et le quark down (\(q = -1/3\)). Les quarks plus lourds sont instables et se transforment rapidement en quarks plus légers sous l'effet de la force faible. Les quarks se lient entre eux en groupes de deux ou de trois appelés hadrons par l'intermédiaire de la force puissante. Les hadrons composés de deux quarks sont appelés mésons, et ceux composés de trois quarks sont appelés baryons. Des exemples de mésons incluent le pion et le kaon, et des exemples de baryons incluent le proton et le neutron familiers. Un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down\((p = uud, \, q = +1)\) et un neutron est un quark up et deux quarks descendants (\(n = udd, \, q = 0\)). Les propriétés des échantillons de mésons et de baryons sont données dans le tableau\(\PageIndex{1}\). Les quarks participent aux quatre forces fondamentales : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.

Les deux rangées inférieures de la figure (en vert) contiennent six leptons répartis en deux familles de particules : électron, muon et tau (\(e, \mu, \tau\)), et neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tau (\(\nu_e, \nu_{\mu}, \nu_T\)).

Le muon est plus de 200 fois plus lourd qu'un électron, mais il est par ailleurs similaire à l'électron. Le tau est environ 3 500 fois plus lourd que l'électron, mais il est par ailleurs similaire au muon et à l'électron. Une fois créés, le muon et le tau se désintègrent rapidement en particules plus légères grâce à la force faible. Les leptons ne participent pas à la force puissante. Les quarks et les leptons seront abordés plus loin dans ce chapitre. Les leptons participent aux forces faibles, électromagnétiques et gravitationnelles, mais ne participent pas à la force forte.

Les bosons (représentés en rouge) sont les porteurs de force des fermions. Dans ce modèle, les leptons et les quarks interagissent entre eux en envoyant et en recevant des bosons. Par exemple, l'interaction coulombique se produit lorsque deux particules chargées positivement envoient et reçoivent (échangent) des photons. On dit que les photons « transportent » la force entre les particules chargées. De même, l'attraction entre deux quarks dans un noyau atomique se produit lorsque deux quarks envoient et reçoivent du gluon s. D'autres exemples incluent les bosons W et Z (qui transportent une faible force nucléaire) et les gravitons (qui transportent une force gravitationnelle). Le boson de Higgs est une particule spéciale : lorsqu'il interagit avec d'autres particules, il leur confère non pas une force mais une masse. En d'autres termes, le boson de Higgs permet d'expliquer pourquoi les particules ont une masse. Ces assertions font partie d'un modèle scientifique provisoire mais très productif (le modèle standard) discuté plus loin.

Particules et antiparticules

À la fin des années 1920, la théorie spéciale de la relativité et la mécanique quantique ont été combinées pour former une théorie quantique relativiste de l'électron. Un résultat surprenant de cette théorie a été la prédiction de deux états énergétiques pour chaque électron : l'un est associé à l'électron et l'autre est associé à une autre particule ayant la même masse d'un électron mais avec une charge de\(e^+\). Cette particule est appelée antiélectron ou positron. Le positron a été découvert expérimentalement dans les années 1930.

On a vite découvert que pour chaque particule de la nature, il existe une antiparticule correspondante. Une antiparticule a la même masse et la même durée de vie que la particule associée, et le signe opposé de charge électrique. Ces particules sont produites lors de réactions à haute énergie. Des exemples de particules à haute énergie incluent l'antimuon (\((\mu^+\)), le quark anti-up (\(u\)) et le quark anti-down (\(d\)). (Notez que les antiparticules pour les quarks sont désignées par une barre supérieure.) De nombreux mésons et baryons contiennent des antiparticules. Par exemple, l'antiproton (\ overline {p} \)) est\(\overline{u}\overline{u}\overline{d}\) et le pion chargé positivement (\(\pi^+\)) l'est\(u\overline{d}\). Certaines particules neutres, comme le photon et\(\pi^0\) le méson, sont leurs propres antiparticules. Les particules d'échantillon, les antiparticules et leurs propriétés sont répertoriées dans le tableau\(\PageIndex{1}\).

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Les particules et leurs propriétés
	Nom de la particule	symbole	Antiparticule	Masse (\(MeV/c^2\))	Durée de vie moyenne (s)
Leptons
	Electron	\(e^-\)	\(e^+\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">0.511	Étable
	Neutrino électronique	\(\nu_e\)	\(\overline{\nu}_e\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Étable
	Muon	\(\mu^-\)	\(\mu^+\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">105.7	\(2.20 \times 10^{-6}\)
	Neutrino muonique	\(\nu_{\mu}\)	\(\overline{\nu_{\mu}}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Étable
	Tau	\(\tau^-\)	\(\tau^+\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">1784	\(<4 \times 10^{-13}\)
	Neutrino Tau	\(\nu_{\tau}\)	\(\overline{\nu_{\tau}}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Étable
Hadrons
Baryons	Proton	p	\(\overline{p}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">938.3	Étable
	Neutron	n	\(\overline{n}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">939,6	920
	Lambda	\(\Lambda^0\)	\(\overline{\Lambda^0}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">1115.6	\(2.6 \times 10^{-10}\)
	Sigma	\(\sum^+\)	\(\sum^-\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">1189.4	\(0.80 \times 10^{-10}\)
	Xi	\(\Xi^+\)	\(\Xi^-\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">1315	\(2.9 \times 10^{-10}\)
	oméga	\(\Omega^+\)	\(\Omega^-\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">1672	\(0.82 \times 10^{-10}\)
Mésons	Pion	\(\pi^+\)	\(\pi^-\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">139.6	\(2.60 \times 10^{-8}\)
	\(\pi\)-Zéro	\(\pi^0\)	\(\pi^0\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">135.0	\(0.83 \times 10^{-16}\)
	Kaon	\(K^+\)	\(K^-\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">493.7	\(1.24 \times 10^{-8}\)
	Short en K	\(K_S^0\)	\(\overline{K_S^0}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">497,6	\(0.89 \times 10^{-10}\)
	K-long	\(K_L^0\)	\(\overline{K_L^0}\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">497,6	\(5.2 \times 10^{-8}\)
	J/\(\psi\)	\(J/\psi\)	\(J/\psi\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">3100	\(7.1 \times 10^{-21}\)
	Upsilon	\(\Upsilon\)	\(\Upsilon\)	\ (MeV/C^2 \)) » style="text-align:center ; vertical-align:middle ; » class="lt-phys-4555">9460	\(1.2 \times 10^{-20}\)

Les particules et leurs propriétés

Les mêmes forces qui unissent la matière ordinaire unissent également l'antimatière. Dans de bonnes conditions, il est possible de créer des antiatomes tels que l'antihydrogène, l'antioxygène et même l'antieau. Dans les antiatomes, les positrons gravitent autour d'un noyau chargé négativement d'antiprotons et d'antineutrons. La figure\(\PageIndex{2}\) compare les atomes et les antiatomes.

La figure a montre un atome d'hydrogène et un atome d'antihydrogène. Le premier a un cercle marqué p au centre et un autre cercle plus petit marqué e moins sur une orbite qui l'entoure. Ce dernier possède un cercle étiqueté p bar au centre et un autre cercle plus petit marqué e plus sur une orbite autour de lui. La figure b montre un atome d'hélium et un atome d'antihélium. Le premier a un cercle étiqueté 2p 2n au centre et deux cercles plus petits étiquetés e moins sur une orbite autour de lui. Ce dernier possède un cercle étiqueté 2p bar 2 n bar au centre et deux cercles plus petits étiquetés e plus sur une orbite autour de lui. — Figure\(\PageIndex{2}\) : Comparaison des atomes de matière et d'antimatière les plus simples. (a) Dans le modèle de Bohr, un atome d'antihydrogène est constitué d'un positron qui tourne autour d'un antiproton. (b) Un atome d'antihélium est constitué de deux positrons qui gravitent autour d'un noyau composé de deux antiprotons et de deux antineutrons.

L'antimatière ne peut pas exister longtemps dans la nature parce que les particules et les antiparticules s'annihilent mutuellement pour produire un rayonnement à haute énergie. Un exemple courant est l'annihilation électron-positon. Ce processus se déroule par la réaction

\[e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma. \nonumber \]

L'électron et le positron disparaissent complètement et deux photons sont produits à leur place. (Il s'avère que la production d'un seul photon violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.) Cette réaction peut également se dérouler dans le sens inverse : deux photons peuvent s'annihiler pour produire une paire d'électrons et de positrons. Ou bien, un seul photon peut produire une paire électron-positon dans le champ d'un noyau, un processus appelé production de paires. Les réactions de ce type sont mesurées régulièrement dans les détecteurs de particules modernes. L'existence d'antiparticules dans la nature ne relève pas de la science-fiction.

Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur la matière et les particules d'antimatière.