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Hadron

L'intérieur de l'atome

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

Une particule subatomiqueest un composant de la matière de taille inférieure à un atome. Les particules élémentaires, électrons et quarks ne sont constitués d'aucune autre particule, les composites, les hadrons sont constitués de particules élémentaires.
A l'intérieur d'un atome on trouve des nucléons, c’est à dire des protons et des neutrons, à l'intérieur desquels on va trouver des quarks. Ce noyau atomique est entouré d'un nuage électronique. C’est la physique des particules qui étudie les composants de la matière et les énergies les plus petites de la nature.
Les particules sont très petites et ne sont pas visibles mais elles sont détectables si on y applique une énergie suffisante, de l'ordre du giga électronvolt (GeV). Énergie et masse sont deux aspects d’un même phénomène, conformément à la célèbre équation d’Einstein (E = mc2), la masse peut se transformer en énergie et inversement. En raison de cette équivalence, masse et énergie peuvent être mesurées avec la même unité, l’électronvolt (eV).
En résumé, les dimensions ces composants se situent dans une plage qui va de 10-19 à 10-15 mètre, tandis que l’unité d’énergie utilisée est l’électronvolt (eV). L’électron-volt est une unité commode car les quantités d’énergie étudiées par les physiciens des particules sont très petites.
Pour se faire une idée des énergies manipulées, je citerai le cas du LHC, l’énergie totale dégagée par une collision est de 14 TeV (14 x 1012 eV), ce qui en fait l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. Pourtant, si l’on convertit cette quantité en joules, il s’agit d’une très petite quantité d’énergie :
1 eV = 1,60217653 x 10–19 joules.
14 TeV = 22,4x10–7 joules.
Comparativement, l’énergie dégagée par la chute d'une pierre de 1 kg, d’une hauteur de 1 mètre est de 9,8 joules, soit 6,1 x 1019 eV.

 matière quarks

Image : Les dimensions des particules élémentaires.

 
 NumberSymbol
   
10-240,000 000 000 000 000 000 000 001y (yocto)
10-210,000 000 000 000 000 000 001z (zepto)
10-180,000 000 000 000 000 001a (atto)
10-150,000 000 000 000 001fm (femto)
10-120,000 000 000 001p (pico)
10-90,000 000 001n (nano)
10-60,000 001µ (micro)
10-30,001m (milli)
10-20,01c (centi)
10-10,1d (deci)
1001 
10110da (deca)
102100h (hecto)
1031 000k (kilo)
1061 000 000M (mega)
1091 000 000 000G (giga)
10121 000 000 000 000T (tera)
10151 000 000 000 000 000P (peta)
10181 000 000 000 000 000 000E (exa)
10211 000 000 000 000 000 000 000Z (zeta)
10241 000 000 000 000 000 000 000 000Y (yotta)

Image : Puissances de 10 utilisées en physique.

L'intérieur de la matière en 1950

    

Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Ces particules sont composées de quarks et/ou d'antiquarks ainsi que de baryons, comme les protons et les neutrons. Malheureusement, la nature est beaucoup plus compliquée qu'on le pensait au 20ème siècle. On sait maintenant que le monde des particules est extrêmement riche. Pour assouvir sa curiosité, l'homme est obligé de créer des machines infernales (Tevatron, LHC,...), de plus en plus puissantes pour éplucher la matière jusqu'aux confins de l'infiniment petit. Dans les années 1950, les particules élémentaires prolifèrent au point que l'alphabet n'a pas assez de lettres pour les nommer : on en comptait alors plus de 400.

Image : Classification des particules élémentaires dans les années 1950.

 hadron

Les 4 forces ou interactions connues

    

La force nucléaire forte lie entre eux les quarks, qui constituent ainsi des protons et des neutrons (et d’autres particules). C’est aussi elle qui lie les protons et les neutrons dans le noyau, en surmontant l’énorme répulsion électrique qui s’exerce entre les protons. Cette force est ressentie par les quarks et portée par les gluons.

La force électromagnétique lie les électrons au noyau à l’intérieur de l’atome, et permet aux atomes de former des molécules. Elle est à l’origine des propriétés des solides, des liquides et des gaz. Cette force est ressentie par les quarks et les leptons chargés. Elle est portée par les photons.

 

La force nucléaire faible suscite la radioactivité naturelle, par exemple celle qu’on trouve dans la Terre. C’est aussi un facteur essentiel des réactions nucléaires dans le centre des étoiles, telles que le Soleil, où l'hydrogène est converti en hélium.
Elle est ressentie par les quarks et les leptons et portée par les bosons W et Z.

La force gravitationnelle ou gravité fait tomber les pommes des arbres. C’est une force d’attraction universelle qui à l’échelle astronomique, fait la cohérence de la matière dans les planètes, les étoiles, et les galaxies. Elle est portée par le graviton, non découvert.

 électron

Image : illustration de l'électron, en réalité l'électron n'a pas de localisation précise. Il reste dans une espèce de vague, à la fois un peu ici et un peu là.

Modèle standard, les 12 particules

    

Aujourd'hui le modèle Standard décrit avec succès trois des quatre interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique. Le tableau des particules élémentaires contient trois familles :
- les quarks up et down, et les leptons, électron et neutrino électronique,
- les quarks charm et strange, et les leptons muon et neutrino muonique,
- les quarks top et bottom et les leptons tau et neutrino tau.
Quatre de ces particules élémentaires suffiraient en principe pour construire le monde qui nous entoure : les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. Les autres sont instables et se désintègrent pour rejoindre ces quatre particules.

nota : Le Modèle Standard ne décrit pas la quatrième interaction : l'interaction gravitationnelle.

Image : Le tableau des particules élémentaires du Modèle Standard, classe les fermions, les 12 constituants de la matière et les bosons.

 constituants de la matière

Hadrons

    

Il ne faut pas imaginer le proton, le neutron ou tout autre hadron Un hadron (du terme grec 'adros' qui signifie 'gros') est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Ces particules sont composées de quarks et/ou d'anti-quarks ainsi que de gluons. comme une particule ponctuelle ou un objet figé. On peut penser que c’est une boule chargée électriquement mais c’est une image très mal adaptée. Dans un proton, on trouve des quarks, des antiquarks et des gluons. Le hadron contient 3 quarks de plus que d'antiquarks : ce sont les « quarks de valence ».
Les quarks donnent au baryon Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules. , sa charge électrique et ses propriétés quantiques. Les autres quarks constituent « la mer quarks antiquarks ». Les gluons représentent 30 à 40% de l'énergie du proton. A l'intérieur du champ clos du proton c’est à dire dans un rayon de 10-15 mètre, les quarks se meuvent librement. Ce n'est que lorsqu'ils tendent à s'écarter que les forces s'intensifient et les empêchent de s'éloigner. On nomme cette propriété « liberté asymptotique ». Cette liberté à courte distance est caractéristique de la théorie de Jauge de la couleur. Les quarks sont porteurs de charges de couleur qu'ils font circuler entre eux. Ils peuvent être rouges, verts ou bleus associés à la théorie appelée la chromodynamique quantique. Les théoriciens ont choisi ce terme pour dire que tout objet pour exister doit être blanc. Un proton pour exister doit avoir trois quarks de chaque couleur, un rouge, un vert et un bleu, ce qui lui donne la propriété "blanc" soit la somme des trois couleurs. Les gluons qui portent la La force nucléaire forte, sont eux-mêmes sensibles à la force de couleur. Les hadrons interagissent entre eux et forment une espèce de gelée de plus en plus rigide à mesure que croît l'énergie mise en jeu, ce qui cause le confinement des quarks. Plus on scrute finement le nucléon, en utilisant des particules plus énergétiques et plus on y trouve un mélange complexe comportant des quarks et des antiquarks de masse élevée.

 

On peut imaginer le proton, le neutron ou tout autre hadron comme un ensemble de particules dans lesquels on trouve d'autant plus de choses, qu'on s'y prend énergiquement pour les rechercher.
Les quarks sont les constituants de base de la matière et les forces en présence agissent par l’intermédiaire de particules porteuses circulant entre les particules de matière.
Ces forces se distinguent également par des intensités différentes. En résumé, énergie et masse sont deux aspects d’un même phénomène, conformément à la célèbre équation d’Einstein (E = mc2), la masse peut se transformer en énergie et inversement.
Dans le LHC, une telle transformation se produit lors de chaque collision.
En raison de cette équivalence, masse et énergie peuvent être mesurées avec la même unité.
À l’échelle de la physique des particules, il s’agit de l’électronvolt.
La grande unification des particules élémentaires et de leurs interactions fondamentales, préoccupent depuis longtemps la communauté des physiciens.
Albert Einstein a consacré sans succès les trente dernières années de sa vie, à la quête d'une théorie unifiée, de l'électromagnétisme à la gravitation.
Aujourd'hui encore, le but est loin d'être atteint.

 Point de collision de particules dans un collisionneur

Image : Point de collision de particules dans un collisionneur, faisant apparaitre une multitude d'autres particules qui vont se désintégrer instantanément. Les produits de la collision ou plutôt les produits de la désintégration des particules lourdes, sont analysés par des détecteurs et sous-détecteurs. Chaque détecteur est conçu pour un type de produit de désintégration (photon, électron, hadron, muon), ainsi les  produits de la désintégration permettent aux scientifiques de reconstituer la particule produite par la collision avant désintégration.

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