Modèle standard de la physique des particules

Nous allons discuter ici, de ce qui représente les fondations de la matière et de l’énergie, une nomenclature de toutes les particules. Que ce soit les fermions (Matière ou antimatière) ou les bosons (particules responsable des interactions tel que le Boson de Higgs ou le photon), nous survolerons leurs propriétés et leur nature dans la première partie, et entreront plus en détails dans la deuxième.

A la fin du XIXème siècle, les physiciens connaissaient deux interactions fondamentales : la gravitation, théorisée par Newton au XVIIème siècle lors de la grande peste de Londres en 1665, puis publié dans les Philosophiae Naturalis Principia Mathematica en 1687, et l’interaction électromagnétique théorisée par Maxwell en 1865 avec sa magnifique synthèse unifiant électricité, magnétisme, et phénomènes lumineux.

Toujours à la fin du XIXème siècle, la structure de la matière n’était pas encore connue, mais la chimie, grâce au travail de Mendeleïev permit de classer les éléments chimiques sous la forme d’un tableau, il y avait alors environ 66 éléments connus, liste qui allait continuer à s’allonger, et qui est à ce jour de 90 éléments naturels, et 28 éléments artificiels synthétisés par les accélérateurs de particules. Il n’y avait pas encore de consensus, mais la théorie atomiste allait devenir le modèle dominant avec les preuves qui allaient arriver avec le mouvement Brownien, l’interprétation de l’origine microscopique de l’entropie par Boltzmann

Au tournant du changement du siècle, tout cela allait changer, avec la découverte de l’électron par Joseph John Thomson en 1897 avec les rayons cathodiques, puis avec la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel en 1896. Ces découvertes permettent de mettre en lumière la structure des atomes, qui ne sont plus insécables, puisque les expériences d’Ernest Rutherford en 1911 avec la diffusion des particules alpha sur une feuille d’or démontre que l’atome est constitué d’un nuage électronique entourant un noyau atomique contenant l’essentiel de la masse de l’atome.

Cette découverte va mettre à mal la physique du XIXème siècle puisqu’aucun modèle arrive à rendre compte de la stabilité de l’édifice atomique, et ne permet pas non plus d’expliquer les raies d’absorption, nouvelle discipline qui est la spectroscopie. Avec toutes ces découvertes, l’ancien édifice de la physique laisse sa place à la théorie de la relativité restreinte, (ainsi que la nouvelle théorie de la gravitation qui est la relativité générale que nous laisserons de côté dans ces chapitres), ainsi que la théorie quantique qui va permettre peu à peu d’expliquer par exemple la structure atomique, les raies d’absorption de l’atome d’hydrogène ainsi que la structure du tableau périodique des éléments de Mendéleïev. Cette refonte des nouvelles lois de la nature va tout d’abord prendre des chemins différents pour ensuite converger vers une théorie quantique relativiste, synthétisée par l’équation de Dirac, qui permettra de comprendre avec plus de finesse le spectre fin de l’atome d’hydrogène, mais également d’incorporer de manière plus naturel un nouveau nombre quantique, qui est le moment cinétique intrinsèque, ou spin. Puis un nouveau formalisme verra le jour à partir des années 40 pour donner la théorie quantique des champs, formalisme couplé aux puissantes symétries d’invariance de jauge qui permettra de construire de le modèle standard de la physique des particules, et donc de décrire trois des interactions fondamentales de la nature.

Il se trouve que la structure atomique connue permet de voir que l’atome fait une taille de l’ordre de l’Angström, délimitée essentiellement par les électrons qui se répartissent selon les modalités de l’équation de Schrödinger, laissant concentré au centre le noyau 100 000 fois plus petit. Les physiciens apprennent rapidement que le noyau est constitué de deux types de particules subatomiques : le proton de charge positive, opposée à celle de l’électron, et le neutron de charge neutre. Il est devenu alors évident qu’il existe des forces bien plus intenses au sein du noyau, permettant de dominer la répulsion coulombienne des protons permettant la stabilisation de l’édifice nucléaire. Cette interaction sera dénommée interaction nucléaire forte, puisque pour rendre entièrement compte du phénomène de radioactivité, il faudra introduire l’interaction nucléaire faible qui est responsable de la désintégration beta.

Ensuite à partir des années 30, il y a une explosion de la découverte de nouvelles particules dites hadroniques (qui interagissent par l’interaction forte), ce qui crée une suspicion de non élémentarité. Il faudra ensuite attendre les années 1960 pour que Murray Gell-Mann et George Zweig ne découvrent indépendamment une régularité dans les hadrons, et que des expériences en accélérateur de particules ne mettent en exergue une structure dans les hadrons par diffusion de leptons, montrant ainsi que les protons sont constitués d’entités ponctuelles et fondamentales appelées quarks. Jusqu’aujourd’hui, les leptons n’ont pas d’indication expérimentale qu’ils soient constitués d’entités plus fondamentaux.

• Propriétés internes des particules : 

Avant de rentrer dans le vif du sujet et de discuter des différentes particules elles même, nous devons expliciter leurs propriétés à défaut de ne pas comprendre leur nature.

1. La masse : Ici, nous parlerons de la masse avec la mesure que l’on appelle « Electron-volt », nous verrons, dans un autre chapitre sur la relativité restreinte d’Einstein, que masse et énergie sont en fait l’expression de la même chose. Attention, nous parlons ici de la masse inertielle, et non de la masse liée au champ gravitationnel (Nous expliquerons la différence à la fin de cette page (1*)).
2. La charge électrique : Toute particule possède une charge électrique, qu’elle soit positive, négative ou nulle. Par exemple, l’électron qui possède une charge électrique (−1,602 176 565(35) × 10^−19 Coulombs), le proton, une charge électrique positive (1,602 176 565(35) × 10^−19 Coulombs) et le photon qui possède une charge électrique théorique nulle (0 Coulombs).
3. Le Spin : Le spin est une propriété interne et fondamentale d’une particule, au même titre que la masse ou la charge électrique cependant, le concept est probablement le concept le plus difficile à appréhender, car il n’est pas du tout intuitif. Le terme spin, confond deux autres termes, le moment cinétique intrinsèque et le moment magnétique intrinsèque, que nous aborderons plus en détails dans la seconde partie (2*). Pour extrêmement vulgariser, car nous discuterons du spin plus en détail en fin de page, il s’agit du nombre de tours sur elle même qu’une particule doit faire, pour retrouver son état initial.
4. Autres nombres quantiques : Il y également d’autres nombres quantiques conservées par exemple le nombre leptonique (qui est le nombre de lepton dans une réaction), ou également la saveur des leptons (conservées dans les réactions, par exemple le nombre leptonique électronique, le nombre leptonique muonique, et le nombre leptonique tauonique qui permettent de différencier les neutrinos). Il existe aussi un équivalent avec les baryon : le nombre baryonique (qui vaut 1 pour chaque baryon ou 1/3 pour chaque quark)
5. Nombres quantiques des quarks : Il existe également pour chaque génération de quark à partir de la seconde génération des nombres quantiques comme l’étrangeté (portée par le quark s), le charme (porté par le quark c), la beauté (portée par le quark b) et la vérité (portée par le quark t) qui sont conservés par l’interaction forte, mais pas par l’interaction faible.

• Les particules élémentaires :

Qu’est ce qu’une particule élémentaire ou particule fondamentale ? C’est un objet dont l’état actuel de nos connaissances ne permet pas de voir de structure interne, elles sont donc considérées comme élémentaires. D’après la théorie et l’expérience actuelle, elles sont insécables. Les particules élémentaires se divisent en deux grandes familles, les fermions dont le spin est demi-entier pour les fermions et répondent à la statistique de Fermi-Dirac et les bosons dont le spin est entier, et répondent à la statistiques de Bose-Einstein.

Il existe trois générations de fermions, la première génération étant à l’origine de la matière ordinaire, les deux autres générations sont des copies ou des cousins de la première génération en plus lourd, ils sont donc instables et étaient présents seulement dans les premiers instants de l’univers.

Nous souhaiterions préciser que le modèle standard intègre le fait qu’à chaque particule correspond une antiparticule. Leurs caractéristiques physiques sont quasiment identiques. Une particule et son antiparticule ont la même masse, mais des charges (baryonique et leptonique) opposées.

La première première colonne représente la première génération, les deuxième et troisième colonnes représentent respectivement la deuxième et la troisième génération. Les fermions peuvent eux mêmes être découpés en deux catégories : Les Leptons et les quarks. Les quarks et leptons sont les briques élémentaires de la matière, les quarks sont les éléments fondamentaux des particules composites (les hadrons), sur lesquelles nous nous pencherons plus en détails.

Les bosons de jauge quant à eux, sont les vecteurs des quatre forces fondamentales. Ils servent de « colle » pour lier la matière. Leur particularité, contrairement aux fermions, est que plusieurs d’entres eux peuvent occuper le même état quantique, du fait de leur spin entier (spin 0,1,2), et ne sont pas assujettis au principe d’exclusion de Pauli, dont nous reparlerons. Tous les bosons élémentaires observés sont appelés des bosons de jauge car ils agissent comme des intermédiaires des quatre forces fondamentales, sauf le boson de Higgs, qui est un boson scalaire (un article entier lui sera dédié).

Le Gluon est le vecteur de la force nucléaire forte, il maintient les quarks « collés » entre eux à l’intérieur des particules composites tels que les protons ou les neutrons par exemple.

Le boson Z et les deux bosons W sont les vecteurs de la force nucléaire faible, ils sont responsable de la désintégration radioactive des particules subatomiques et à l’origine de la fusion nucléaire au cœur des étoiles.

Le photon est le quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques, il est la particule responsable de l’interaction électromagnétique.

Le Boson de Higgs est un boson un peu particulier, nous en reparlerons.

Peut être pourriez-vous vous faire la remarque suivante : « Qu’en est il de la force gravitationnelle ? »  Eh bien, aucune expérimentation n’a pu prouver aujourd’hui l’existence d’un boson qui expliquerait la gravité à une échelle quantique. Il existe cependant plusieurs pistes, la plus intéressante étant celle du Graviton, ou Gravitron. Le Graviton serait une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans les systèmes de gravité quantique, autrement dit, serait le quantum de la force gravitationnelle, cependant, il n’a à ce jour, jamais été observé, et ne le sera sans doute pas avant longtemps vue l’intensité de l’interaction gravitationnelle par rapport à l’interaction faible (le neutrino n’interagit que par l’interaction faible et est déjà très difficile à détecter, l’interaction gravitationnelle est de plus de 30 ordres de grandeur moins intense).

• Particules composites :

Nous avons discuté plus haut des particules étant les briques élémentaires de la matière, maintenant, nous allons voir les particules qui sont elles même composées de particules élémentaires, les particules composites.

Les particules composites sont appelés « Hadrons ». Les Hadrons se décompensent en deux sous familles, les Baryons et les Mésons. Les principales particules élémentaires les composants sont les quarks, nous discuterons plus en détails des quarks, de leur nature et de leur rôle.

Les Hadrons sont les particules qui interagissent avec l’interaction forte, et qui sont composées de quarks, d’antiquarks et de gluons, tels que les protons ou les neutrons.

Parmi les hadrons se trouve la sous famille appelée « baryons », les principaux exemples sont les neutrons et les protons. Le mot baryon vient du grec « barys » qui veut dire lourd. Les baryons se nomment de la sorte car ils sont généralement plus lourds que les autres types de particules.

Ensuite, viennent les mésons, une autre sous famille des hadrons, particules composées de quarks et d’antiquarks en nombre pair. Ils ont la particularité de posséder un spin entier (0,1). Les mésons sont considérés comme étant des particules virtuelles, due à leur durée de vie extrêmement courte.

Parlons à présent des quarks. Les quarks sont une famille de particules élémentaires qui s’associent entre eux pour former des Hadrons. En raison d’une propriété qu’on appelle le « confinement », les quarks ne peuvent être isolés et n’ont pas pu être observé directement. Ce que l’on sait de ce derniers vient indirectement de l’observation des hadrons. Les quarks s’attirent entre eux par une force fondamentale, la force d’interaction forte. Cette force se manifeste par l’échange de particules électriquement neutres, mais porteuse d’une charge de couleur, les gluons.

Ajoutons néanmoins que les quarks eux mêmes portent une charge électrique, mais contrairement aux électrons ou aux protons, qui possèdent une charge entière (-1 ou +1), les quarks possèdent des charges fractionnaires. Par exemple, les quarks up, charm et top portent une charge de 2/3. Les quarks down, strange et bottom portent eux une charge de -1/3. De cette manière, lorsqu’ils forment les hadrons (3 quarks), les charges fractionnaires donnent un résultat entier, par exemple le proton, possède 2 quarks up et un quark down (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1).

Les six quarks (voir tableau des fermions ci-dessus) sont des particules de spin 1/2, se comportant conformément au théorème spin-statistique. A cette famille correspond celles des six antiquarks de même masse mais de charge opposée (-2/3 ou +1/3) et de charge de couleur complémentaire. A l’instar de l’interaction électromagnétique qui est de type « dipolaire » (+ et -), l’interaction forte représentée par les charges de couleurs est « tripolaire » (bleu,rouge,vert). Un autre article est consacré aux gluons, aux charges de couleurs et aux interactions fondamentales.

1* : La masse inertielle origine de la première et de la deuxième loi de Newton. La première établit que tout corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme, à moins que des forces n’agissent sur lui et ne le contraignent à changer d’état. Cette loi fait directement référence à la notion d’inertie. Celle-ci est la tendance d’un corps à résister à toute variation de son état de mouvement (Une page sera également consacrée aux forces que l’on appelle « forces fictives »). Autrement dit, un objet a tendance à rester au repos s’il est au repos, et à rester en mouvement à vitesse constante s’il est en mouvement. Si un objet subit une variation de vitesse (ou une accélération), c’est nécessairement parce qu’une force nette l’affecte.

Cependant, l’expérience quotidienne montre que tous les corps n’ont pas la même accélération pour la même force nette appliquée. En effet, il est beaucoup moins difficile de déplacer un stylo que de pousser une voiture. Il est évident que stylo et voiture présentent une inertie différente. La deuxième loi de Newton fait donc intervenir la masse de l’objet. Elle établit que la force nette agissant sur une particule de masse m produit une accélération de même direction que la force nette. Puisque dans un contexte d’inertie, la masse m est inertielle et la deuxième loi s’écrit F=ma.

En conclusion, la masse inertielle mesure la résistance qu’oppose le corps à toute accélération ou modification du mouvement ou d’un état de mouvement. On retrouve toujours la masse inertielle dans un contexte d’accélération, et sans qu’il soit forcément question de gravitation.

2* : A présent, détaillons un petit ce concept de « spin« . Les particules sont classées selon la valeur de leur nombre quantique de spin (ou tout simplement spin), les bosons qui ont un spin entier ou nul et les fermions pour lesquels le spin est demi entier (1/2, 3/2, 5/2…). Par exemple, le fait que l’électron soit un fermion est la cause du principe d’exclusion de Pauli et des irrégularités du tableau périodique des éléments. Nous évoquerons le principe d’exclusion de Pauli dans une autre rubrique, nous le résumerons ici simplement en disant ceci : Les électrons doivent obéir à des règles de placement dans les couche électroniques (ou orbitales) des atomes. Deux électrons ne peuvent pas se trouver simultanément dans la même couche électronique avec le même état quantique.

L’explication qui va suivre nécessite d’avoir des connaissances en algèbre, notamment sur les nombres complexes. Voici comment l’état quelconque d’une particule isolée de spin s=1/2 peut s’exprimer sous la forme générale : ,

a et b étant des nombres complexes. Les signes précédant et suivant les flèches sont appelés des « ket », ils sont la notation de vecteurs en mécanique quantique. Cette formule exprime une superposition des deux états propres (Géométriquement, cela donne la représentation sur le schéma ci-dessus, qui montre qu’on peut établir une correspondance entre un état de spin et une direction dans l’espace).

Toutes les particules connues ou d’existence fortement suspectée ont un nombre quantique de spin compris entre 0 et 2. C’est en particulier le cas des particules élémentaires. Quelques exemples se trouvent dans les tableaux plus haut.

Autre information importante, le spin donne une information et propriété cruciale sur la particule :

• si son spin est entier, elle suit la statistique de Bose-Einstein, et c’est un boson,
• si son spin est demi-entier, en raison du principe d’exclusion de Pauli, elle suit la statistique de Fermi-Dirac, et c’est un fermion.

Nous conclurons cette page avec ceci :

On dénombre en tout 61 particules élémentaires (6 saveurs de quarks existant en 3 couleurs + 6 leptons, soit 24 fermions avec 24 anti fermions + 8 gluons + 3 bosons intermédiaires + 1 photons + 1 Higgs), mais bien que le modèle standard soit considéré comme une théorie autonome et cohérente, et qu’il ait eu beaucoup de succès en fournissant des prédictions expérimentales (symétrie CP par exemple, dont nous reparlerons dans la rubrique consacrée à l’antimatière), il laisse plusieurs phénomènes inexpliqués et ne peut prétendre être une théorie du tout. Il n’apporte pas non plus d’explication ou de justification théorique à la gravité, tel qu’elle est décrite par la relativité générale, et ne rend pas non plus compte, de l’accélération de l’expansion de l’univers. Ce modèle ne contient également pas de particule pouvant composer la matière noire, et pour finir, ne décrit pas correctement la masse des neutrinos ni leur oscillation.