Les particules élémentaires

Nous ne vous apprendrons rien en vous disant que l’univers est constitué de matière. Vous savez aussi sans doute que cette matière est constituée d'atomes

Les atomes sont les constituants de la matière : en s'associant les uns aux autres par des liaisons chimiques, ils forment les molécules. Ils sont quant à eux constitués d'électrons et d'un noyau, qui est lui-même composé de protons et de neutrons.

, mot qui signifie littéralement « qui ne peut pas être coupé » : on a longtemps cru que les atomes étaient les plus petits constituants de la matière.

Pourtant, l'atome est composé de particules encore plus petites : il est constitué d'électrons (des particules chargées négativement) et d'un noyau, qui est lui-même composé de protons (des particules chargées positivement) et de neutrons (qui n'ont pas de charge électrique).

Mais cela ne s'arrête pas là ! Les neutrons et les protons sont eux-mêmes chacun constitués de trois particules encore plus petites, des quarks

Les quarks sont les particules élémentaires constitutives des hadrons (les protons et les neutrons, par exemple). Il existe six types de quarks différents : down, up, strange, charm, bottom et top.

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Les quarks : des particules tantôt étranges, tantôt charmantes

Les protons et les neutrons sont constitués de deux types de quarks différents : des quarks « up » et des quarks « down ». Un proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down, tandis qu'un neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down.

Comme toutes les particules, les quarks sont caractérisés par trois propriétés importantes :

• Leur masse (un quark down est par exemple environ deux fois plus « lourd » qu'un quark up)
• Leur charge électrique (1/3 de la charge d'un électron pour le quark down, -2/3 de la charge d'un électron pour le quark up)
• Leur « spin » (les particules se comportent en effet dans une certaine mesure comme si elles « tournaient sur elles-mêmes », ce que l'on caractérise par une grandeur appelée « spin »)

Mais les quarks ont en plus de ça une autre propriété étrange, que l'on appelle la « charge de couleur » et qui peut être « verte », « rouge » ou « bleue ». Entendons-nous bien : il ne s'agit pas réellement de la couleur de ces particules, mais bien d'une propriété qui n'a pas d'équivalent dans la vie de tous les jours et qui n'est rencontrée que chez les quarks. Et elle a toute son importance : les trois quarks qui constituent un proton ou un neutron doivent toujours avoir des couleurs différentes.

Les protons et les neutrons sont composés de quarks up et down, que l'on appelle les « quarks de première génération », mais il existe quatre autres types de quarks : « charm », « strange », « top » et « bottom ».

Les quarks charm et strange sont dits de « deuxième génération » tandis que les quarks top et bottom appartiennent à la « troisième génération ». Notez que d'une génération à l'autre, les quarks ne diffèrent que par leur masse : le quark top est plus massif que le quark charm qui est lui-même plus massif que le quark up. De même, les quarks bottom, strange et down ont la même charge électrique et le même spin, mais diffèrent par leur masse.

Les quarks de deuxième et troisième générations ont toutefois une fâcheuse tendance à se désintégrer rapidement en quarks de première génération, raison pour laquelle ceux-ci sont si courants dans l'univers alors que les quarks de deuxième et troisième génération sont si rares.

Tous les quarks ont une autre caractéristique commune : étant donné qu'ils ne semblent pas être composés de particules encore plus petites, on dit que ce sont des particules élémentaires. Mais ce sont loin d'être les seules...

Les leptons

Nous n'avons jusqu'ici pas dit grand-chose sur l'électron mais, comme les quarks, il ne semble pas être constitué de particules plus petites : c'est une particule élémentaire, mais qui appartient à une autre famille que les quarks, celle des leptons

Les leptons sont des particules élémentaires insensibles à l'interaction forte. Le lepton le plus célèbre est l'électron, mais il existe cinq autres types : le muon, le tau, le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauonique.

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La différence fondamentale entre les quarks et les leptons vient de leur charge électrique : les quarks portent une charge électrique égale à une fraction de celle de l'électron (un ou deux tiers) tandis que les leptons ont une charge électrique égale à celle de l'électron ou à zéro.

Comme les quarks, les leptons sont au nombre de six et peuvent être divisés en trois générations :

Toute la matière qui nous entoure est composée de quarks et de leptons (de 1^ère génération principalement puisqu'il sont plus stables que leurs homologues de deuxième et troisième génération).

L'existence de certaines de ces particules a été prédite théoriquement par le modèle standard longtemps avant d'être prouvée expérimentalement : il a par exemple fallu attendre 1995 pour que l'on prouve l'existence du quark top et l'an 2000 pour que l'on prouve enfin celle du tau neutrino !

Les bosons de jauge

Toute la matière qui nous entoure est composée de quarks et de leptons... mais il existe d'autres particules élémentaires : celles responsable des interaction entre ces particules !

Notre univers est régi par quatre forces fondamentales : la force de gravitation, la force électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Les physiciens ont découvert que ces quatre interactions fondamentales sont dues à des particules élémentaires, appelées bosons de jauge.

Pour le comprendre, imaginez un homme et un enfant debouts sur des barques. Si l'homme lance un ballon à l'enfant, la barque sur laquelle il se tient va se mettre à bouger (à cause de la conservation de la quantité de mouvement). Lorsque l’enfant reçoit la balle, sa barque bouge à son tour.

Les deux barques interagissent par l'intermédiaire du ballon
Source: David Calvet, Voyage au coeur de la matière

Dans cette analogie, l'homme et l'enfant représentent chacun une particule de matière tandis que le ballon est le boson de jauge qui permet leur interaction. Au plus lourd est le ballon, au plus difficile il est de le lancer loin : au plus lourd est le boson de jauge responsable d'une force fondamentale, au plus courte sera la portée de celle-ci.

Des bosons de jauge sont donc associés aux quatre forces fondamentales de notre univers :

• Le photon est responsable de la force électromagnétique, qui fait que les objets qui portent une charge électrique s'attirent (s'ils portent des charges de signes opposés) ou se repoussent (s'ils portent des charges de même signes).
• Les bosons W⁺, W^- et Z⁰ sont responsables de l'interaction faible''', qui est notamment responsable de la radioactivité β.
• Le gluon est responsable de L'interaction forte, qui maintient les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons.
• Le graviton serait responsable de la force gravitationnelle, qui fait que les objets qui ont une masse s'attirent. L'existence du graviton n'a toutefois pas pu être prouvée jusqu'ici.

Le boson de Brout-Englert-Higgs

Le boson de Higgs est une particule élémentaire d'une importance capitale en physique : elle est notamment responsable du fait que certaines particules ont une masse, tandis que d'autres n'en ont pas.

Son existence a été prédite presque simultanément en 1964 par les physiciens belges Robert Brout et François Englert ainsi que l'Écossais Peter Higgs, dont le nom est passé à la postérité (même si on parle aussi parfois de « boson BEH » pour « Brout, Engler, Higgs » ou de « boson scalaire »).

Il a toutefois fallu attendre près de cinquante ans pour que leur prédiction soit confirmé : ce n'est que le 4 juillet 2012 que le CERN annoncé avoir détecté (avec un degré de confiance de 99,99997%) ce qui semble être le boson de Higgs. Cette découverte majeure est une confirmation de plus pour le modèle standard de la physique des particules et a valu à François Englert et Peter Higgs le prix Nobel de physique 2013.

... et toutes les autres

L'histoire ne s'arrête pas là : à chaque particule correspond une antiparticule, qui a exactement les mêmes propriétés à une différence près — elle porte une charge électrique de signe opposé (et dans le cas des antiquarks, une « charge de couleur » opposée).

En plus de cela, l'existence de beaucoup de particules élémentaires supplémentaires a été proposée mais n'a jusqu'ici pas encore pu être prouvée ou réfutée. En plus du graviton, qui serait responsable de la force de gravitation mais qui n'a jusqu'ici pas pu être mis en évidence, des physiciens ont prédit l'existence de particules élémentaires supplémentaires, comme le graviphoton, le branon, le photino ou le Higgsino.

La physique des particules ne s'arrête donc pas avec la découverte du boson de Higgs : il reste encore énormément de choses à découvrir par les physiciens du futur.

Au travail !

Pour en savoir plus

• Voyage.in2p3.fr (en français)

• Introduction to Elementary Particles (en anglais)

• Comprendre le boson de Higgs en trois minutes

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Classement

                   Auteur(s) : Guillaume Lumin et Franck Stevens

                   Catégorie : Article

                   Discipline(s) : Physique, Physique des particules

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