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Particule élémentaire

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Les particules élémentaires sont les plus petits objets physiques dont sont constituées la matière et les forces de l’univers. Ce sont des paquets d’énergies caractérisés principalement par une masse, un moment cinétique intrinsèque (le spin) et d’autres nombres comme la charge électrique. Ces particules élémentaires ne sont correctement décrites que dans le cadre de la théorie quantique des champs. On doit donc tenir compte aussi bien des lois des phénomènes imposées par la structure de l’espace-temps en relativité, que de la fameuse dualité onde/corpuscule de la mécanique quantique

La question des particules élémentaires dans l'histoire

Historiquement, on pensait que les atomes étaient les plus petits constituants de la matière et donc des particules élémentaires. La découverte de l’électron, puis du noyau de l’atome, respectivement par Joseph John Thomson et Ernest Rutherford, allait ruiner cette hypothèse. Plus tard, alors que l’on pensait à nouveau connaître les particules fondamentales dont toute matière est faite, c'est-à-dire, les électrons, les neutrons et les protons, la découverte des quarks constituant les nucléons allait relancer la course à la recherche des particules élémentaires.


Une vidéo de présentation du détecteur Atlas et du LHC en projet, au début des années 2000. La vidéo présente aussi certains aspects de la physique des particules élémentaires. © 2002 Cern, YouTube

État des lieux des connaissances sur les particules élémentaires

Aujourd’hui, on sait donc que le statut de particule élémentaire est relatif aux expériences que l’on fait. Ainsi, pour des réactions chimiques à basses énergies, on peut décrire ce qui se passe comme si les atomes étaient les plus petits constituants de la matière. Mais pour des réactions thermonucléaires comme celles faisant briller le Soleil, ce seront les électrons, les protons et les neutrons conjointement avec les neutrinos qui seront considérés comme des particules élémentaires.

Dans l’état actuel des recherches, comme celles qui fait entrer en collision au LHC des faisceaux de protons dans les détecteurs Atlas et CMS, il semble toujours que les particules élémentaires de matière soient constituées de leptons et de quarks, et réparties en trois familles comme le montre le tableau ci-dessous. 

 
On a représenté dans ce tableau les particules du modèle standard des interactions, c'est-à-dire celui des forces nucléaires fortes et électrofaibles couplant quarks et leptons. La gravitation ne fait pas partie du modèle standard. Le boson de Higgs semble avoir finalement été découvert en 2012 au Cern avec le LHC. Pour autant qu'on le sache, ces particules sont élémentaires et ne sont pas composées de particules plus petites. Les masses des particules sont en GeV (en équivalent d'énergie). Un proton a une masse de 1 GeV dans ce système d'unité. © 3xplus

Les champs de forces

La mécanique quantique nous a appris que de même que les particules de matière ont un aspect ondulatoire, que ce ne sont pas des petites billes comme le pensait la physique classique, il faut attribuer un aspect corpusculaire aux ondes dans les champs de forces. On sait que dans le cas du champ électromagnétique, il apparaît un paquet d’énergie, le photon. Les expériences, comme celles menées au Cern au début des années 1980 ont montré qu’il y avait des équivalents des photons pour les autres champs de forces connues dans la nature, à savoir les forces nucléaires. Dans le cas des forces nucléaires fortes décrites par la chromodynamique quantique, il s’agit de gluons. Dans le cas des forces nucléaires faibles, il s’agit des bosons W et Z.

De manière générale, les particules associées aux forces comme le photon, les gluons, sont dites des bosons de spin entier. Pour la matière, les quarks et les leptons comme les électrons et les neutrinos sont des fermions avec un spin demi-entier. Les champs de forces sont décrits par des théories dites de jauge ou encore de Yang-Mills. Les particules médiatrices de ces forces sont appelées des bosons de jauge.

Il est possible que les quarks et les leptons ne soient pas élémentaires mais constitués d’autres particules, par exemple des rishons. Il doit aussi exister l’équivalent du quanta du champ électromagnétique, le photon, pour les ondes gravitationnelles. Le quanta du champ de gravitation est appelé un graviton mais il semble très difficile de l’observer. 

De gauche à droite : Pauli, Heisenberg et Fermi. Ces trois théoriciens sont les fondateurs de la théorie quantique des champs, à la base de l'étude des particules élémentaires. © Cern De gauche à droite : Pauli, Heisenberg et Fermi. Ces trois théoriciens sont les fondateurs de la théorie quantique des champs, à la base de l'étude des particules élémentaires. © Cern

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