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Les particules élémentaires
Les particules élémentaires sont les constituants ultimes de la matière connus à ce jour. Le modèle standard en compte 17 : 6 quarks, 6 leptons, 4 bosons de jauge et le boson de Higgs.
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L'atome n’est pas insécable : il est fait d’électrons et d’un noyau, lui-même composé de protons et de neutrons, eux-mêmes formés de quarks. Électrons et quarks, eux, n’ont jamais montré de structure interne : on les considère comme élémentaires. La théorie qui les décrit, élaborée dans les années 1960-1970, s’appelle le modèle standard de la physique des particules.
Les deux grandes familles
- Les fermions (spin demi-entier) sont les particules de matière. Deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état (principe d’exclusion de Pauli), ce qui explique la structure des atomes et la solidité de la matière.
- Les bosons (spin entier) transmettent les interactions ou, pour le boson de Higgs, donnent leur masse aux autres particules.
Les fermions : quarks et leptons
Ils se répartissent en trois générations de plus en plus massives. Toute la matière ordinaire est faite de la première génération ; les deux autres n’apparaissent que dans les collisions à haute énergie et se désintègrent rapidement.
| 1re génération | 2e génération | 3e génération | Charge | |
|---|---|---|---|---|
| Quarks | up (u) | charm (c) | top (t) | +2/3 |
| down (d) | strange (s) | bottom (b) | −1/3 | |
| Leptons | électron (e) | muon (μ) | tau (τ) | −1 |
| neutrino électronique | neutrino muonique | neutrino tauique | 0 |
Les quarks
Les quarks ne s’observent jamais isolés : ils sont toujours liés par l’interaction forte en particules composées, les hadrons.
- Proton = deux quarks up + un down (uud) : charge 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1.
- Neutron = un up + deux down (udd) : charge 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.
Les quarks portent aussi une « charge de couleur » (rouge, vert, bleu, par convention), sans rapport avec la couleur visible, qui est la source de l’interaction forte.
Les leptons
L'électron est le lepton le plus connu : il gravite autour des noyaux et porte le courant électrique. Le muon, environ 207 fois plus massif, est produit en abondance par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère ; des milliers en traversent chaque mètre carré du sol par minute. Les neutrinos, sans charge et de masse infime, interagissent si peu que des milliards d’entre eux, venus du Soleil, traversent chaque centimètre carré de notre corps à chaque seconde sans effet.
Les bosons
| Boson | Interaction | Masse | Découverte |
|---|---|---|---|
| Photon (γ) | électromagnétique | nulle | concept introduit par Einstein en 1905 |
| Gluons (8 types) | forte | nulle | mis en évidence en 1979 (DESY, Hambourg) |
| W⁺, W⁻ | faible | environ 80 GeV | 1983, CERN |
| Z⁰ | faible | environ 91 GeV | 1983, CERN |
| Boson de Higgs (H) | donne leur masse aux particules | environ 125 GeV | 2012, CERN |
La gravitation n’est pas décrite par le modèle standard ; son éventuel boson, le graviton, reste hypothétique (voir interactions fondamentales).
Une histoire des découvertes
| Date | Découverte |
|---|---|
| 1897 | l’électron (J. J. Thomson) |
| 1930 | Wolfgang Pauli postule le neutrino |
| 1932 | le positon, premier antiélectron (voir antimatière) |
| 1936 | le muon |
| 1956 | détection du neutrino électronique (Cowan et Reines) |
| 1964 | Murray Gell-Mann et George Zweig proposent les quarks ; Brout, Englert, Higgs et d’autres proposent le mécanisme de Higgs |
| 1968-1969 | expériences de Stanford révélant une structure ponctuelle à l’intérieur du proton |
| 1974 | quark charm |
| 1975 | lepton tau |
| 1977 | quark bottom |
| 1983 | bosons W et Z |
| 1995 | quark top, le plus lourd (Fermilab) |
| 2000 | neutrino tauique |
| 2012 | boson de Higgs |
Les ordres de grandeur
Les masses des particules s’expriment en électronvolts (eV) : 1 GeV correspond à peu près à la masse d’un proton (0,938 GeV).
| Particule | Masse approximative |
|---|---|
| Neutrinos | moins de 1 eV |
| Électron | 0,511 MeV |
| Quark up | environ 2 MeV |
| Quark down | environ 5 MeV |
| Muon | 106 MeV |
| Proton (composé) | 938 MeV |
| Quark top | environ 173 GeV, autant qu’un atome d’or |
Fait frappant : les trois quarks d’un proton ne représentent qu’environ 1 % de sa masse. L’essentiel vient de l’énergie de l’interaction forte qui les lie.
Comment étudie-t-on les particules ?
En les faisant entrer en collision à très haute énergie dans des accélérateurs. Le plus puissant, le LHC (Grand collisionneur de hadrons) du CERN, près de Genève, est un anneau de 27 km de circonférence où des protons circulent à 99,999 999 % de la vitesse de la lumière. Les collisions créent, selon E = mc², de nouvelles particules que des détecteurs géants enregistrent. On observe aussi les rayons cosmiques et, pour les neutrinos, on utilise d’immenses détecteurs souterrains ou sous la glace.
Ce que le modèle standard n’explique pas
Le modèle standard est l’une des théories les mieux vérifiées de l’histoire de la science, mais il est incomplet :
- il n’inclut pas la gravitation ;
- il ne dit rien de la matière noire, environ cinq fois plus abondante que la matière ordinaire ;
- il n’explique pas l'énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers ;
- il prévoyait des neutrinos sans masse, alors qu’on a montré à la fin des années 1990 qu’ils en ont une ;
- il n’explique pas pourquoi l’Univers contient beaucoup plus de matière que d’antimatière.
Questions fréquentes
Combien y a-t-il de particules élémentaires ?
Le modèle standard compte 17 types : 6 quarks, 6 leptons, 4 bosons de jauge (photon, gluon, W, Z) et le boson de Higgs. En distinguant les antiparticules et les couleurs des quarks et des gluons, le décompte est plus élevé.
Le proton est-il une particule élémentaire ?
Non. Il est composé de trois quarks liés par des gluons. L’électron, en revanche, est élémentaire.
Qu’est-ce qu’un neutrino ?
Un lepton sans charge électrique, de masse extrêmement faible, qui n’interagit que par l’interaction faible et la gravitation. Il traverse presque toute la matière sans s’arrêter.
Les quarks sont-ils faits de particules plus petites ?
Aucune expérience n’a montré de structure interne aux quarks ni aux leptons. Certaines théories l’envisagent, sans confirmation.