Sciences

Première partie : Les différentes particules subatomiques

Dossier - La Matière
DossierClassé sous :physique , particules , gravitation

-

Ce TIPE est une introduction à la physique des particules : particules subatomiques (bosons vecteurs, quarks et leptons), problèmes actuels et masse des neutrinos.

  
DossiersLa Matière
 

I - Les Bosons Vecteurs

Les bosons vecteurs sont comme leur nom l'indique les vecteurs d'interactions entre les particules. Il y a 4 interactions dans le monde de la physique des particules et les théories actuelles prévoient que toutes s'expriment par les bosons. On retrouve ci-dessous le tableau des différents bosons :

NomMasse(GeV)Q (Charge)Spin
gamma (photon)001
Z0 91.1901
W+80.3311
W- 80.33-11
g (graviton)002

- L'Interaction Forte

Le Premier type de boson est le vecteur de l'interaction forte : le gluon. L'interaction forte agit sur les constituants des nucléons (protons ou neutrons): les quarks et les anti-quarks. Elle s'explique par la chromodynamique quantique (QCD). Les quarks et les anti-quarks sont caractérisés par une charge de couleur. Le gluon est en fait émis depuis un quark emportant avec lui la charge de couleur de celui-ci. Il transmet alors celle-ci au quark cible emportant en échange l'ancienne charge avec lui. Le gluon permet donc d'échanger la couleur de deux quarks. Il existe 8 gluons différents, chacun porteur d'une couleur et d'une anti-couleur (on a ainsi un gluon rouge et anti-rouge, vert et anti-vert ,bleu et anti-bleu, mais aussi bleu et anti-rouge etc...). Ils sont de masse nulle et n'ont jamais été détectés.
- La Gravitation

Elle agit sur tous les constituants suivant leur énergie et leur masse. Elle est toujours présente mais négligeable au niveau des particules (10^-39 fois plus faible que force électrostatique (voir pour exemple le calcul sur l'électron document (4)). La théorie de la gravitation d'Einstein en relativité générale prévoit l'existence d'ondes gravitationnelles qui n'ont pas encore été détectées. On suppose l'existence de son quantum, le graviton. Il aurait été observé dans le ralentissement de la rotation d'un pulsar. Sa masse serait nulle, et son spin de 2. Mais, la liaison entre gravitation et physique des particules n'est pas encore définitivement acquise.
- L'Interaction électromagnétique

Le boson vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Cette interaction agit sur la charge des particules et est responsable de la structure atomique car elle lie entre eux les constituants de l'atome : elle est a l'origine des liaisons entre le noyau et les électrons. Le photon a une masse nulle : il ne peut donc se désintégrer en particules plus légères et est donc complètement stable. Son spin est de 1. On peut l'observer dans le rayonnement électromagnétique émis lors de l'annihilation d'un électron et d'un positon : (e+) + (e-) -> q + `q + g. Dans cette réaction, les électrons qui disparaissent et les quarks qui apparaissent subitement donnent lieu à une variation brusque du courant électrique qui engendre un champ électromagnétique pouvant se manifester par l'apparition d'un ou plusieurs photons. On peut d'ailleurs noter qu'un mécanisme du même type donne lieu à l'émission de gluons : .(e+) + (e-) -> q + `q + g ,le gluon étant le quantum du champ de couleur.
- L'Interaction faible

Toutes les Particules de matière, quarks, hadrons et leptons, quelque soit leur charge électromagnétique, subissent l'interaction faible. Celle-ci change la saveur (c'est d'ailleurs la seule interaction qui le permet) et la charge électromagnétique, mais ignore la charge de couleur des quarks. Par exemple, sous l'effet de celle-ci, un électron devient un neutrino, tandis qu'un quark u deviendra un quark d. Il y a 3 bosons vecteurs : W+, W- et Z dont l'existence fut postulée par Glashow en 1961 et observée pour la 1ère fois au Cern en 1982-1983. Ces 3 bosons ont un spin de 1 et une masse très élevée :

MW+ =Mw- = 80.3 GeV Mz = 91.2 GeV

Et c'est à cause de la masse élevée de ses bosons vecteurs que la portée de l'interaction faible est très limitée. L'explication de cette relation masse des bosons / portée de l'interaction provient de l'origine même du boson. Celui-ci est issu d'un phénomène de "fluctuations quantiques du vide". En effet : le vide est l'état d'énergie le plus bas, il est " ce qui reste quand on a tout enlevé ", et est donc entièrement composé d'énergie. Une de ses propriétés fondamentales réside dans sa faculté à " prêter " de l'énergie, pour permettre la création d'une paire particule/antiparticule ou d'un boson vecteur : ce sont les " fluctuations quantiques " . Ceci permet ainsi notamment la possibilité de voir apparaître un champ dans le vide dont la valeur moyenne est nulle. Mais, cette propriété de " nullité moyenne " peut ne pas être respectée par tous les champs, et, si dans la théorie électrofaible, les bosons vecteurs ont une masse nulle, la présence du champ de Higgs dans le vide, dont la valeur moyenne n'est pas nulle, leur confère une grande masse. Cependant, l'acquisition d'une masse par ce boson viole la relation de conservation de l'énergie du vide. Or, d'après le principe d'incertitude d'HeisenBerg, la relation temps de violation/énergie est alors : DE.Dt = hr D'ou on en déduit la portée de l'interaction faible qui est de l'ordre de 10^-38 m.

A chaque force est donc associée son (ou ses) boson(s) , vecteur de cette interaction. Il est cependant à noter que l'on soupçonne fortement l'existence d'un autre type de Boson, le boson de Higgs, à la masse très élevée et qui générerait le champ de Higgs déjà cité, ce qui porterait à 5 le nombre de famille de cette catégorie.

La Deuxième Catégorie de particules subatomiques est celle que constitue l'ensemble des quarks

II - Les Quarks

Constituant fondamental de la matière, son existence fut proposée en 1966, le premier quark étant observé expérimentalement en 1975. On connaît actuellement 6 types de quarks dont le dernier fut découvert en 1997.

On retrouve ci contre le tableau des différents quarks :

NomMasse(GeV)Q (Charge)Spin(S,C,B,T)
u (up)82/3½(0,0,0,0)
d (down)15-1/3½(0,0,0,0)
s (strange)300-1/3½(-1,0,0,0)
c (charm)16002/3½(0,1,0,0)
b (bottom)4500-1/3½(0,0,-1,0)
t (top)175 0002/3½(0,0,0,1)

Avec S: Etrangeté , C : le Charme , B : bottom , T : Top les saveurs des quarks

Les quarks se caractérisent essentiellement par leur masse, leur charge fractionnaire - celle-ci ne pouvant prendre que 2 valeurs : 2/3 e ou -1/3 e (e=charge de l'électron) - , et leur parfum, permettant une division en 6 familles : up, down, bottom ..

Les combinaisons des éléments de ces 6 divisions forment la plus vaste famille de particules élémentaires : les hadrons. Cette famille se décompose en 2 classes de particules :

- les baryons : ils sont formés d'un système de 3 quarks tenu par l'interaction forte. Leur charge est entière, variant de -1 à 2.

- les mésons : Ils sont formés d'un système quark / anti-quark en interaction forte, de charge -1,0 ou 1.

On peut retrouver ci dessous le tableau des principaux hadrons :

Une autre propriété des quarks est la suivante : on ne peut trouver un quark seul. Cette propriété très particulière est appelée " confinement des quarks dans les hadrons ". Elle s'explique par le fait qu'il faudrait théoriquement une force infinie pour briser le lien crée par l'interaction forte (donc par les gluons).

En effet, si, à petite distance (petite devant 10^-15m), le potentiel de la force est en 1/r (c'est un potentiel dit Coulombien), à plus grande distance, il est en O(r). Ainsi, le potentiel, c'est à dire l'énergie que devrait fournir un opérateur fictif pour amener le quark en un point, tend vers l'infini quand on cherche à amener le quark en l'infini.

Il est cependant à noter que ce modèle des quarks n'est pas toujours accepté comme une subdivision ultime de la matière. Ainsi, certains scientifiques émettent-ils par exemple l'hypothèse d'une subdivision des quarks en 3 éléments de charge +/- 1/6, cette hypothèse permettant de garder intactes toutes les propriétés des quarks, leur indivisibilité mise à part. Mais, au stade ou nous en sommes, il faut savoir que toutes ces hypothèses sont invérifiables (il n'est même pas possible d'isoler un quark..), les éléments mis en jeu étant bien entendu parfaitement inobservables..

La troisième, et dernière famille de particules subatomiques est celle constituée par la famille de l'électron, les leptons.

III - Les Leptons

3ème type de particules fondamentales, les leptons ne sont soumis qu'aux interactions faibles, subissant l'interaction électromagnétique faible seulement s'ils sont chargés. Le représentant le plus connu de cette famille est sans doute l'électron. Il existe en fait 3 types de leptons : les leptons électroniques (électron) , les leptons muoniques (le muon), et le lepton tau. A chacun d'entre eux correspond un neutrino, de masse quasi-nulle et de charge neutre.

On peut les retrouver sur le tableau ci-contre :

NomMasse(GeV)Q (Charge)Spin(Le,Lm,Lt)
electron0.511-1½(1,0,0)
neutrino electr.0 ?0½(1,0,0)
muon105.66-1½(0,1,0)
neutrino muoniq.?0½(0,1,0)
tau1777-1½(0,0,1)
neutrino tauiq.?0½(0,0,1)

On peut ainsi remarquer qu'il n'existe que 2 types de charges : 0 ou -1 , et que les leptons ont le même spin que les quarks.

Une autre propriété des leptons est la conservation du nombre leptonique par toutes les interactions. Il existe 3 nombres de ce type : électronique, tauique, muonique, défini comme suit :

Ne = Ne¯ + N(neutrino electr.)+ N(positon) + N(antineutrino elc.)

De même pour les autres nombres...

Mais, ce modèle des particules, appelé, modèle Standard, n'est ni fini, ni totalement défini. Ainsi, des incertitudes subsistent encore sur pas mal de point. Un des problèmes majeurs actuellement est ainsi la détermination de la masse des neutrinos, ces particules qui pourraient constituer une partie de la masse cachée de l'univers et nous donner ainsi des informations plus précises quand à son devenir.