Que sont les particules élémentaires ?

par Paul Kyberd, Senior Lecturer in Particle Physics Informatics, Brunel University, Londres, Royaume-Uni

On prétend souvent que les Grecs anciens ont été les premiers à identifier des objets qui n’ont aucune taille, mais qui sont pourtant capables de construire le monde qui nous entoure grâce à leurs interactions. Et comme nous sommes capables d’observer le monde dans des détails de plus en plus petits grâce à des microscopes de plus en plus puissants, il est naturel de se demander de quoi sont faits ces objets.

Nous pensons avoir trouvé certains de ces objets : les particules subatomiques, ou particules fondamentales, qui, n’ayant aucune taille, ne peuvent avoir aucune sous-structure. Nous cherchons maintenant à expliquer les propriétés de ces particules et travaillons à montrer comment elles peuvent être utilisées pour expliquer le contenu de l’univers.

Il existe deux types de particules fondamentales : les particules de matière, dont certaines se combinent pour produire le monde qui nous entoure, et les particules de force – dont l’une, le photon, est responsable du rayonnement électromagnétique. Ces dernières sont classées dans le modèle standard de la physique des particules, qui théorise la manière dont les éléments de base de la matière interagissent, sous l’effet des forces fondamentales. Les particules de matière sont des fermions tandis que les particules de force sont des bosons.

Particules de matière : quarks et leptons

Les particules de matière sont divisées en deux groupes : les quarks et les leptons – il y en a six, chacun ayant un partenaire correspondant.

Les leptons sont divisés en trois paires. Chaque paire comprend une particule élémentaire chargée et une particule sans charge, beaucoup plus légère et extrêmement difficile à détecter. La plus légère de ces paires est l’électron et l’électron-neutrino.

And then some. James Childs, 

L’électron chargé est responsable des courants électriques. Son partenaire non chargé, appelé électron-neutrino, est produit en abondance dans le soleil. Ces derniers interagissent si faiblement avec leur environnement qu’ils traversent sans encombre la Terre. Un million d’entre eux traversent chaque centimètre carré de votre corps chaque seconde, jour et nuit.

Les électrons-neutrinos sont produits en nombre inimaginable lors des explosions de supernovae et ce sont ces particules qui dispersent dans l’univers les éléments produits par la combustion nucléaire. Ces éléments comprennent le carbone dont nous sommes faits, l’oxygène que nous respirons et presque tout ce qui existe sur terre. Par conséquent, malgré la réticence des neutrinos à interagir avec d’autres particules fondamentales, ils sont indispensables à notre existence. Les deux autres paires de neutrinos (appelées muon et neutrino muon, tau et neutrino tau) semblent n’être que des versions plus lourdes de l’électron.

Le tube cathodique de J. J. Thomson de 1897 avec des bobines magnétiques – utilisé pour découvrir l’électron. Science Museum, Londres

Comme la matière normale ne contient pas ces particules, il peut sembler qu’elles constituent une complication inutile. Cependant, au cours de la première à la dixième seconde de l’univers qui a suivi le Big Bang, elles ont joué un rôle crucial dans l’établissement de la structure de l’univers dans lequel nous vivons – connu sous le nom d’époque des leptons.

Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : « up » et « down », « charmé » et « étrange », et « top » et « bottom » (précédemment appelés « vérité » et « beauté », mais malheureusement modifiés). Les quarks up et down s’assemblent pour former les protons et les neutrons qui se trouvent au cœur de chaque atome. Encore une fois, seule la paire de quarks la plus légère se trouve dans la matière normale, les paires charmé/étrange et up/bottom semblent ne jouer aucun rôle dans l’univers tel qu’il existe actuellement, mais, comme les leptons plus lourds, ils ont joué un rôle dans les premiers instants de l’univers et ont contribué à en créer un qui se prête à notre existence.

Particules de force

Il existe six particules de force dans le modèle standard, qui créent les interactions entre les particules de matière. Elles sont divisées en quatre forces fondamentales : les forces gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible.

Le photon est une particule de lumière et est responsable des champs électriques et magnétiques, créés par l’échange de photons d’un objet chargé à un autre.

Le gluon produit la force responsable de la cohésion des quarks pour former les protons et les neutrons, et de la cohésion de ces protons et neutrons pour former des noyaux plus lourds.

Trois particules appelées « W plus », « W moins » et « Z zéro » – appelées bosons vecteurs intermédiaires – sont responsables du processus de désintégration radioactive et des processus dans le soleil qui le font briller. Une sixième particule de force, le graviton, est censée être responsable de la gravitation, mais n’a pas encore été observée.

Anti-matière : la réalité de la science-fiction

Nous connaissons également l’existence de l’antimatière. Il s’agit d’un concept très apprécié des auteurs de science-fiction, mais il existe réellement. Les particules d’antimatière ont été fréquemment observées. Par exemple, le positron (l’antiparticule de l’électron) est utilisé en médecine pour cartographier nos organes internes grâce à la tomographie par émission de positrons (TEP). Il est bien connu que lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent toutes les deux et une explosion d’énergie est produite. Un scanner TEP est utilisé pour détecter ce phénomène.

Chacune des particules de matière ci-dessus a une particule partenaire qui a la même masse, mais une charge électrique opposée. Nous pouvons donc doubler le nombre de particules de matière (six quarks et six leptons) pour arriver à un nombre final de 24.

Nous attribuons aux quarks de matière la valeur +1 et aux quarks d’anti-matière la valeur -1. Si nous additionnons le nombre de quarks de matière et le nombre de quarks d’anti-matière, nous obtenons le nombre net de quarks dans l’univers, qui ne varie jamais. Si nous disposons de suffisamment d’énergie, nous pouvons créer n’importe quel quark de matière, à condition de créer en même temps un quark d’anti-matière. Dans les premiers instants de l’univers, ces particules étaient créées en permanence. Aujourd’hui, elles ne sont créées que lors des collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère des planètes et des étoiles.

Le fameux boson de Higgs

Il existe une dernière particule qui complète l’appel des particules dans ce que l’on appelle le modèle standard de la physique des particules décrit jusqu’à présent. Il s’agit du boson de Higgs, prédit par Peter Higgs il y a 50 ans, et dont la découverte au CERN en 2012 a valu un prix Nobel à Higgs et François Englert.

Le boson de Higgs est une particule étrange : c’est la deuxième plus lourde des particules du modèle standard et elle résiste à une explication simple. On dit souvent qu’il est à l’origine de la masse, ce qui est vrai, mais trompeur. Elle donne de la masse aux quarks, et les quarks constituent les protons et les neutrons, mais seuls 2 % de la masse des protons et des neutrons sont fournis par les quarks, le reste provenant de l’énergie des gluons.

À ce stade, nous avons comptabilisé toutes les particules requises par le modèle standard : six particules de force, 24 particules de matière et une particule de Higgs – soit un total de 31 particules fondamentales. Malgré ce que nous savons d’elles, leurs propriétés n’ont pas été suffisamment bien mesurées pour nous permettre d’affirmer définitivement que ces particules sont tout ce qui est nécessaire pour construire l’univers que nous voyons autour de nous, et nous n’avons certainement pas toutes les réponses. Le prochain passage du Grand collisionneur de hadrons nous permettra d’affiner nos mesures de certaines de ces propriétés – mais il y a autre chose.

Grand collisionneur de hadrons, CERN

Cependant la théorie est toujours erronée

La belle théorie, le modèle standard, a été testée et re-testée pendant deux décennies et plus ; et nous n’avons pas encore fait une mesure qui soit en contradiction avec nos prédictions. Mais nous savons que le modèle standard doit être faux. Lorsque nous faisons entrer en collision deux particules fondamentales, un certain nombre de résultats sont possibles. Notre théorie nous permet de calculer la probabilité qu’un résultat particulier se produise, mais aux énergies au-delà de celles que nous avons atteintes jusqu’à présent, elle prédit que certains de ces résultats se produisent avec une probabilité supérieure à 100 % – ce qui est clairement un non-sens.

Les physiciens théoriques ont déployé beaucoup d’efforts pour essayer de construire une théorie qui donne des réponses sensées à toutes les énergies, tout en donnant la même réponse que le modèle standard dans toutes les circonstances dans lesquelles le modèle standard a été testé.

La modification la plus courante implique qu’il existe des particules très lourdes non découvertes. Le fait qu’elles soient lourdes signifie que beaucoup d’énergie sera nécessaire pour les produire. Les propriétés de ces particules supplémentaires peuvent être choisies pour s’assurer que la théorie qui en résulte donne des réponses sensées à toutes les énergies, mais elles n’ont aucun effet sur les mesures qui concordent si bien avec le modèle standard.

Le nombre de ces particules non découvertes et encore invisibles dépend de la théorie à laquelle on choisit de croire. La catégorie la plus populaire de ces théories est celle des théories supersymétriques, qui impliquent que toutes les particules que nous avons vues ont une contrepartie beaucoup plus lourde. Cependant, si elles sont trop lourdes, des problèmes apparaîtront aux énergies que nous pouvons produire avant de trouver ces particules. Mais les énergies qui seront atteintes lors du prochain passage du LHC sont suffisamment élevées pour que l’absence de nouvelles particules porte un coup à toutes les théories supersymétriques.

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, ce article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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