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Les 12 particules de la matière

La physique des particules

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 28 juillet 2013

La physique des particules nous permet de connaitre quels sont les constituants de la matière et leurs interactions. Pendant tout le 20ème siècle les physiciens et surtout les mathématiciens ont élaboré un modèle qui explique l'univers observable et en particulier la matière et ses interactions, ce modèle est appelé le « modèle standard ». Les particules élémentaires de la matière et leurs interactions ont été construites après le Big Bang et les 4 forces ou interactions connues sont l'interaction forte, l'interaction faible, l'électromagnétisme et bien sûr la gravitation. Le Modèle Standard ne décrit pas la quatrième interaction, l'interaction gravitationnelle.
Quelles sont ces particules et comment interagissent-elles entre elles ?
Dans le monde des particules subatomiques qui constituent la matière, on manipule les énergies les plus petites de la nature (eV) et des longueurs extrêmement petites, de l'ordre de 10-15 à 10-17 mètre, bien en dessous de la taille d'un atome qui est de 10-10 mètre, mais on sait qu'un atome est constitué de 99,99% de vide. Les particules ne sont donc pas visibles mais cependant 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. À l’échelle de la physique des particules, il s’agit de l’électronvolt (eV). Dans le modèle standard les particules élémentaires de la matière sont au nombre de 12, les 6 quarks, les 3 électrons et équivalents et les 3 neutrinos. Les lois de symétrie appelée aussi invariance, introduites en physique avant 1964, ne peuvent être validées que si les particules élémentaires n'ont pas de masse inertielle.

 

Ce qui pose un problème, car si comme le photon, les particules n'ont pas de masse, alors elles peuvent voyager à la vitesse de la lumière. Et l'univers ne peut pas contenir de matière puisqu'il n'est que rayonnement, alors les particules ne peuvent s'associer en noyaux. C'est là qu'intervient le mécanisme de Higgs qui donne une masse aux particules élémentaires et qui préserve ainsi les lois physiques de symétrie. Les particules acquièrent une masse en interagissant avec le champ de Higgs qui imprègne tout l'espace. Comme souvent en sciences il y a beaucoup de précurseurs à une théorie et il en est de même pour le mécanisme de Higgs, les précurseurs sont Philip Warren Anderson, Yoichiro Nambu, Julian Schwinger, Robert Brout, François Englert, mais c'est Peter Higgs qui a le mieux décrit ce mécanisme et surtout le boson lui-même. Les codécouvreurs du mécanisme de Higgs sont Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Thomas Walter Bannerman Kibble. Ce mécanisme a été repris par Steven Weinberg, Sheldon Glashow et Abdus Salam pour créer le modèle standard.

nota : énergies manipulées dans le LHC, l’énergie totale dégagée est de 2x7 TeV (14 x 1012 eV). Pourtant, si l’on convertit cette quantité en joules, il s’agit d’une très très petite quantité d’énergie :
1 eV = 1,60217653x10
–19 J.
14 TeV = 22,4x10
–7 J.
Comparativement, l’énergie dégagée par la chute d'une pierre de 1 kg qui tombe d’une hauteur de 1 m, est de 9,8 joules, soit 10 millions de fois plus que les énergies manipulées par le LHC. Mais l'énergie du LHC se concentre sur un petit faisceau d'électrons, ce qui est considérable.

 LHC boson de higgs

Image : Simulation de collisions de particules. Les particules ne sont donc pas visibles mais cependant 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. À l’échelle de la physique des particules, il s’agit de l’électronvolt (eV).

Le mécanisme de Higgs

    

Le mécanisme de Higgs donne une masse à toutes les particules élémentaires mais rien n'est dit sur la masse du boson de Higgs lui-même, on sait seulement qu'il a une masse entre 2 GeV et 1000 GeV ce qui est extrêmement vague.
Une particule ne peut être observée dans un détecteur, qu'à des énergies supérieures ou égales à sa propre masse. Le boson de Higgs n'a pas été observé dans le détecteur du LEP (Large Electron Positron collider) car la puissance de ce collisionneur (114 GeV) ne suffisait pas pour faire apparaitre le Higgs. Il a donc fallu remplacer le LEP par le LHC (Large Hadron collider), un collisionneur beaucoup plus puissant de 7 000 GeV ou 7 TeV. Le LEP a été démantelé en automne 2000 et c'est avec le LHC, opérationnel depuis le 10 septembre 2008, que les scientifiques espéraient trouver le boson de Higgs. Le 4 juillet 2012 la découverte est annoncée et le 14 mars 2013, le CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) publie un communiqué de presse dans lequel il indique que le nouveau boson découvert « ressemble de plus en plus » à un boson de Higgs, même s'il n'est pas encore certain qu'il s'agisse du boson de Higgs du modèle standard.
On sait aujourd'hui que le boson de Higgs a une masse de 126 GeV car Atlas et CMS, 2 des 4 expériences principales (Atlas, CMS, Alice et LHCb) ont pu observer indépendamment  la ronde des protons et en déduire cette propriété du boson de Higgs. Un croisement de paquet de protons se fait toutes les 50 nanosecondes et en faisant tourner pendant des heures 1400 paquets de 2048 protons dans chaque sens, les scientifiques arrivent à obtenir quelques collisions intéressantes, au point de collision de 20 µm situé dans chaque expérience. Parmi toutes les collisions (50 par croisement), la plupart ne sont pas intéressantes car elles mettent en jeu des énergies beaucoup trop faibles. Après plusieurs réinjections de paquets, pour compenser l'usure (protons détruits par les collisions), des ordinateurs vont trier les évènements intéressants pour les proposer à l'analyse.

 

En 2011 et 2012, environ 1015 collisions ont été produites par expérience (expérience est le terme utilisé pour nommer les observatoires de collisions que sont les détecteurs de particules Atlas, CMS, Alice et LHCb). La zone de croisement qui permet les collisions, a une longueur de 7 cm et un diamètre de 20 µm.
En 1993, le ministre britannique des sciences William Waldegrave lance un challenge afin d'avoir une explication la plus simple possible du champ de Higgs et du boson de Higgs.
C'est David Miller (CERN) qui remporte ce challenge en proposant le scénario suivant :
Lors d’une assemblée de physiciens, les invités remplissent toute la salle uniformément, comme le champ de Higgs remplit tout l’espace. David Miller représente par cette image la notion de vide quantique qui n'est pas vide mais où des fluctuations d'énergie se produisent, des particules virtuelles peuvent interagir avec des particules réelles.
C'est alors que dans la salle rentre Einstein qui symbolise une particule élémentaire libre de ses mouvements, sa masse inertielle est nulle.
Au fur et à mesure qu’il avance dans la salle (vide quantique), les gens (particules virtuelles) s’agglutinent autour de lui et il est difficile de le pousser, il acquiert une masse inertielle. On a alors l'image du vide qui se condense autour d'une particule. Le mécanisme de Higgs est justement la condensation du vide autour d'une particule qui interagit avec le champ de Higgs, ce qui lui donne une masse.
Imaginons que ce n'est pas Einstein qui rentre dans la salle mais une rumeur que l'on répand (une énergie à 126 GeV), alors les physiciens vont quand même s'agglutiner autour de la rumeur pour l'entendre. Cet amas de personnes qui porte la rumeur, représente le boson de Higgs qui acquiert une masse (126 GeV).
Mise en BD du scénario, CERN.

Image : le boson de Higgs, sur l'image agrandie.

 Le mécanisme de Higgs donne une masse à toutes les particules élémentaires

Image : le champs de Higgs.

La masse de la particule élémentaire

Image : la masse d'une particule.

Les 12 particules de la matière

    

Les deux catégories de particules de la nature sont les fermions et les bosons. La matière qui compose les objets qui nous entourent est faites de fermions. Les fermions sont des particules de spin 1/2 entier, dites asociales, en d'autres termes elles refusent de réduire leur espace vital, c'est pour cela que la matière n'est pas compressible et que nous pouvons marcher sur le sol. Par contre les bosons sont des particules de spin entier qui elles sont sociales. Elles aiment se mélanger comme la lumière qui se mélange avec la lumière, elle est composée de photons qui sont des bosons.
Le modèle Standard décrit avec succès trois des quatre interactions fondamentales : l'interaction forte, l'interaction faible et l'interaction électromagnétique. Le tableau des particules élémentaires contient 12 particules (fermions) classées en trois générations de la matière, la matière qui nous entoure, la matière ordinaire, fait partie de la première génération. Les 12 particules élémentaires (non sécables) de la matière sont les 6 quarks (Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom), les 3 électrons (électron, muon, tau) et les 3 neutrinos (électronique, muonique, tauique). 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 particules beaucoup plus lourdes, sont instables et se désintègrent rapidement pour rejoindre ces quatre particules. Les bosons représentent les messagers qui transmettent l'information des différentes interactions (forces). Le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Le gluon est le messager de l'interaction nucléaire forte en structurant la matière. Le gluon confine les quarks ensemble en les liant très fortement. Le boson Z0 est l'un des bosons de jauge de l'interaction faible, c'est la particule porteuse de l'interaction faible, l'autre étant le boson W± qui se présente sous deux états opposés de charges électriques.

nota : L'essentiel des phénomènes qui nous entourent est dû à l'interaction électromagnétique, le médiateur de cette interaction électromagnétique est le photon. Le photon constitue la lumière visible, les ondes radio, les rayons UV, les rayons X, les rayons gamma qui remplissent notre environnement quotidien. Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière.

 Modèle standard des particules élémentaires qui constituent la matière

Image : Le tableau des particules élémentaires du Modèle Standard, classe les fermions,  les 12 constituants de la matière (électron, muon, neutrino et quarks), et les bosons vecteurs des interactions (forces). Les bosons vecteurs sont aussi des particules qui transportent les interactions fondamentales. Les particules de la génération II et III ont les mêmes propriétés que les particules de la génération I mais elles sont beaucoup plus lourdes. Au commencement, à la période du bigbang, toutes ces particules coexistaient mais les particules lourdes se sont désintégrées en particules légères. Nous ne trouvons plus dans la nature, de particules lourdes de la génération II et III, seuls les collisionneurs sont capables de les générer provisoirement. A ce tableau il manque les antiparticules disparues au profit des particules, chaque particule a son antiparticule. Le Modèle Standard ne décrit pas l'interaction gravitationnelle.
Crédit image MissMJ Wikimedia Commons.

 dimensions des particules élémentaires

Image : Les dimensions des particules de matière. Le proton est formé de 2 quarks u et de 1 quark d, la charge du proton est donc de +2/3 + 2/3 -1/3 cela fait +1, tandis que le neutron est formé de 2 quarks d et de 1 quark u, la charge du neutron est donc de -1/3 -1/3 +2/3 cela fait 0. La force électromagnétique lie les électrons au noyau. Elle permet aux atomes de former des molécules. Cette force est ressentie par les quarks et les leptons chargés, elle est portée par les photons.

nota : Puissance relative (approximative) des interactions. Si la force forte est égale à 1, alors la force électromagnétique est de 10-2, c'est à dire 100 fois plus faible, la force faible est de 10-5, 10 000 fois plus faible et la force de gravité est 10-40, c'est à dire insignifiante.

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