Les particules élémentaires


Les réactions de physique fondamentale font s'entre-choquer des particules pour produire d'autres particules. C'est pour cela que nous avons consacré une partie sur les différentes particules, qui sont ainsi liées aux accélérateurs. Les premières expériences de la Physique des Particules utilisaient directement des photographies de l'interaction des particules dans des chambres de détection, pour mettre en évidence et étudier les propriétés d'objets de tailles très petites, qui ne pouvaient pas être vus directement. Elles font désormais appel à la technologie de pointe, notamment à l'informatique et à l'électronique pour automatiser les mesures.

Tout ce qui nous entoure est composé de particules. Nous connaissons parfaitement l'existence des atomes, leur noyau et les électrons qui les entourent. Les électrons gravitent autour du noyau, ce qui forme l'atome (d'après le modèle de Rutherford de 1911). Les noyaux sont composés de protons et de neutrons qui sont maintenus entre eux par l'interaction forte. Si on imagine que le noyau fait la taille d'une tête d’épingle, l’atome aurait alors la taille d’un stade de foot: la taille du noyau (10-15 m) est environ 100 000 fois plus petite que celle de l'atome (10-10 m).

image d'un atome

Depuis 1970, un modèle théorique appelé "modèle standard" tente d'expliquer les lois de l'infiniment petit. Les particules composant la matière y sont de deux types: les "leptons", comme l'électron, et les "quarks" qui sont les constituants des nucléons (neutrons et protons) formant des noyaux d'atome. Ces particules sont considérées comme fondamentales, dépourvues de structure interne. Elles peuvent interagir entre elles via l'échange de particules appelées "bosons". Afin d'étudier expérimentalement les interactions entre ces particules, il faut disposer d'une énergie très élevée. Celle-ci est obtenue dans des accélérateurs où des collisions de particules sont produites. C'est au CERN (laboratoire Européen de physique des particules), à Genève, qu'ont été découvert les bosons W et Z en 1983 qui étaient prédits par le modèle standard. Plus récemment le "quark top", dernier quark prédit par la théorie, a été mis en évidence au Fermilab de Chicago (USA). Selon le modèle standard, les composants de la matière sont au nombre de 12 et sont regroupés en 3 familles de fermions contenant quatre éléments: 2 leptons et 2 quarks.

tableau periodique

Tout phénomène peut être décrit sous forme d'ondes ou de particules (c’est la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule). Dans le modèle standard on distingue une autre famille de particules, les bosons qui sont les messagers des forces d'interactions. Nous connaissons 4 forces: l'électromagnétisme, l'interaction forte, l'interaction faible et la gravitation. Cependant, la gravitation ne fait pas partie du modèle standard car l'existence d'une particule appelée "graviton" n'a pas été prouvée, contrairement aux photons, bosons, et gluons. La gravitation n'agit quasiment pas sur les particules, mais permet aux objets de forte masse de s'attirer entre eux. L'interaction faible est elle véhiculée par différents bosons: le boson W+, le boson W- et le boson Z (l'un est chargé positivement, l'autre négativement et le troisième est neutre). Toutes les particules y sont sensibles. Elle permet par exemple au soleil de brûler en convertissant son hydrogène en hélium. Pour finir, l'interaction forte n'agit que sur les quarks et leur permet de rester ''liés'' les uns aux autres pour former les protons et les neutrons et empêche donc la ''destruction'' du noyau. Einstein en 1905, montre alors que la lumière est aussi constituée de particules, les photons. Cette dualité de la nature de la lumière (à la fois onde et particule) permis aux physiciens de l'époque d'élaborer la physique quantique. La force électromagnétique est donc véhiculée par une unique particule, le photon. . Cette force permet par exemple de lier les électrons au noyau pour former un atome.

L’antimatière

L'antimatière est une forme "miroir" de la matière. Elle a été prédite en 1913 par Paul Dirac. Il a ainsi associé à chaque particule une jumelle quasiment identique si ce n'est une charge opposée. L'antimatière est donc la matière symétrique de la matière ordinaire. Si une particule rencontre sa particule symétrique, elles se détruisent et leur masse est convertie en une grande d'énergie sous forme de lumière.

antimatiere

Les principales particules d’antimatière