Dernière mise à jour: 2013/08/11.
Jusque la fin du 19ème siècle, on pensait l'atome indivisible. En 1897, Thompson découvre l'électron que l'on soupçonne d'être un des constituants de l'atome. Plusieurs modèles théoriques vont être construits pour décrire cet atome mais ils se heurteront toujours aux expérimentations. En 1911, Rutherford dévoile enfin la structure de l'atome grâce à sa célèbre expérience au cours de laquelle il projète un faisceau de particules alpha sur une fine couche d'or. On comprend alors que l'électron gravite autour d'un minuscule noyau regroupant toute la charge positive de l'atome et quasiment toute sa masse. Dans les années 1930, on découvre le proton et le neutron et on décrit ainsi la structure interne du noyau. Cependant, on découvre également dans les rayons cosmiques, l'anti-électron dont l'existence avait été prévu en 1928 par Dirac. Avec la découverte de l'anti-proton en 1955, on comprend qu'à chaque particule est associée une anti-particule de charge électrique opposée. En 1937, on observe le muon, un électron 200 fois plus lourd, puis en 1975, le tau 3500 fois plus lourd, qui seront les prémices de la création des 3 familles de particules. Dans les années 60, on, notamment Gell-Mann, a commencé à douter de l'indivisibilité des protons et neutrons. Ceci c'est conclu par la découverte des partons entre 1970 et 1972, particules que l'ont nommera ensuite "quarks".
Finalement, on sait aujourd'hui que les atomes sont constitués de leptons, des électrons, gravitant autour d'un noyau. Ce noyau est formé par des nucléons, les protons et les neutrons, eux-mêmes constitués de quarks.
La caractéristique évidente d'une particule est sa masse. Généralement, les physiciens nucléaires l'expriment en MeV/c² en référence à la célèbre formule d'Einstein E=mc². La masse varie alors entre 0 (pour les certains vecteurs de force et peut-être le neutrino) et des milliers de MeV/c² (pour le 6ème quark notamment). On pourrait croire que la masse est surtout reliée à la gravitation mais en fait, cette force est souvent négligeable devant les autres, si bien que la masse ne sert essentiellement que dans les relations entre les forces et l'accélération.
La charge électrique reste avec la masse, la seule caractéristique concrète des particules. Elle s'exprime en multiples entiers de charge élementaire e=1.602E-19 C (sauf pour la charge des quarks qui est un multiple du tiers de cette charge). Cette propriété régit principalement les interactions des particules avec les champs électromagnétiques.
Le spin est probablement la caractéristique la plus abstraite des particules. Il a été introduit par Pauli pour palier à l'incompréhension de l'effet Zeeman anormal.
Avec la découverte de nouvelles particules et la création de nouveaux modèles, on a introduit beaucoup d'autres nouvelles caractéristiques : la saveur des quarks les sépare entre 3 familles. La couleur permet comme le spin, d'expliquer un triplement du nombre d'états possibles pour les quarks. Les nombres leptoniques et baryoniques permettent de préciser les désingrations possibles.
Le moment cinétique intrinsèque ou spin, est une valeur qui n'a aucun équivalent en mécanique classique. Il s'agit d'un nombre entier ou demi-entier s, qui autorise l'existence de 2s+1 états différents alors que sans le spin, ils seraient identiques. Ceci conduit donc à des dédoublements de raies spectrales, des dégénérescences (plusieurs états différents pour la même énergie) de couches électroniques ...
Si on considère deux particules identiques, leurs comportements mutuel va dépendre de leur spin. S'il est demi-entier, on dit que ce sont des "Fermions", ils obéissent au principe d'exclusion de Pauli et ne peuvent alors pas être rigoureusement dans le même état. L'état normal sera alors le même mais la dégénérescence créée par le spin leur permet de se placer parmi les 2s+1 états différents donc de ne pas être dans le même état. C'est selon ce mode que les couches électroniques des atomes sont remplies : les électrons ont un spin de 1/2 et on a donc 2 états de spin par états "classique". Ainsi, dans chaque état de chaque sous-couche peuvent se placer deux électrons. Si le spin est entier, on dit que ce sont des "Bosons", plusieurs particules identiques peuvent se regrouper dans le même état et ne constituer qu'un seul plus gros corps. Cela permet l'observation de phénomène étrange comme la condensation de Bose-Einstein pendant lequel des photons ne forment plus qu'un seul corps et peuvent être décrit comme une seule particule.
Enfin, on peut remarquer que les vecteurs des forces sont des bosons tandis que les particules de "matière" sont souvent des fermions.
En physique, une symétrie caractérise une propriété qui se conserve dans une réaction ou le fait qu'une propriété est conservée lorsqu'on modifie le problème.
Concretement, les trois grandes symétries en physique nucléaire sont la vue dans un miroir (symétrie P), la conjugaison (symétrie C qui change les charges en leurs opposées) et le renversement du temps (symétrie T). Une expérience physique se réalisera donc de la même façon si on oppose les charges, si on la regarde dans un miroir ou si ou passe son film à l'envers.
Cependant, le 20ème siècle a vu l'avènement d'une nouvelle théorie décrivant les systèmes microscopiques, la mécanique quantique. Un des principê de base de cette théorie est le fait qu'on ne peut prévoir que des probabilités de résultats d'une expérience et pas son résultat exact. Ainsi, des expériences peuvent ne pas respecter des symétries tant qu'en moyenne, elles les respectent. Ceci a été effectivement observé puisqu'on remarqué une brisure de la symétrie P dans les années 50 lors de désintégration Bêta : l'hélicité (orientation du spin par rapport à la quantité de mouvement) n'est pas inversée quand la réaction est retournée dans un miroir. De même, la symétrie CP fut brisée en 1964 lors d'une réaction contenant des mésons K.
De la même façon, la conservation de charges (spin, charge électrique, ...) au cours de réactions est un principe de base de la physique contemporaine. Cependant, le mécanique quantique autorise des entorses à ces conservations. Ainsi, on verra que la portée de certaines interactions est directement liée à la conservation de l'énergie qui n'est pas vérifiée pendant un cours instant.
Le modèle standard admis actuellement comprend 12 particules élémentaires : 6 quarks et 6 leptons. Par ailleurs, ces 12 particules peuvent également être regroupées en 3 familles de 4 : deux quarks, un lepton chargé (charge -1 comme l'électron) et son neutrino correspondant. Une expérience réalisée au CERN en 1989 a prouvé qu'il n'existe pas de 4ème famille car le nombre de familles est proportionnel à la largeur en énergie du boson vectoriel intermédiaire Z, c'est à dire à l'incertitude sur la mesure de sa masse. Toutes les particules plus complexes (les hadrons) sont formées à partir de 2 ou 3 quarks.
Voici un tableau récapitulatif des principales propriétés des quarks et des leptons :
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Pour représenter les trois familles précédemment citées sur ces tableaux, il suffit de regrouper les lignes 2 par 2. Tous les quarks présentés ici ont un nombre baryonique qui vaut 1/3. Pour les antiquarks, il vaut -1/3. Tous les leptons présentés ici ont un nombre leptonique qui vaut 1. Pour leurs antiparticules, il vaut -1.
Vous pouvez afficher ces tableaux en version plus jolie et plus détaillée : Leptons et Quarks.
Les quarks sont des Fermions de spin 1/2. L'intensité de la force forte entre quarks noue empêche de les séparer. Ils restent donc toujours confinés à l'intérieur de particules plus complexes, les "Hadrons". Il y a deux façons d'assembler des quarks pour former des hadrons : soit, on regroupe 3 quarks et on obtient alors un "Baryon" dont la charge est entier compris entre -1 et 2, et de spin 1/2. Soit, on regroupe 1 quark et un antiquark pour obtenir un "Méson" dont la charge est -1, 0 ou 1 et le spin 1.
Entre les années 1950 et 1975, on a découvert beaucoup de particules mais certaines ont amené les scientifiques à modifier la théorie décrivant les quarks. On a en effet découvert une résonance (particule très instable) où 3 quarks "up" étaient dans le même état de spin, ce qui est interdit par le principe de Pauli. Afin de conserver la validité de ce principe, on a introduit une nouvelle propriété quantique, la "couleur", tout comme on avait introduit le spin auparavant. La couleur de quark est alors rouge, bleu ou vert. Les antiquarks sont quant à eux, antirouge, antibleu ou antivert. Ainsi, le problème de la résonance récédente s'explique par le fait que les 3 quarks ont des couleurs différentes et ne sont donc pas dans le même état quantique.
Plus précisément, on a fixé les règles de création des particules en fonction de la couleur des quarks afin que la particule créée soit incolore. Concrètement, un baryon doit contenir un quark rouge, un bleu et un vert, tandis qu'un méson contient un quark d'une couleur et un antiquark de l'anticouleur correspondante.
Ainsi est née la chromodynamique quantique, théorie très complexe qui décrit tout ce qui précède et tout ce qui suit. L'interaction forte est véhiculée par des gluons. Les gluons possèdent chacun une couleur et une anticouleur, et ont donc également la possibilité de changer la couleur des quarks. Ainsi, un gluon vert-antibleu absorbé par un quark bleu le transforme en quark vert. Ce processus est bien-sûr réversible. On a donc 6 gluons de changement de couleur et il devrait y en avoir 3 de non-changement (rouge-antirouge, bleu-antibleu et vert-antivert) mais la théorie les remplace par l'association de deux gluons g1+g2. On a donc en tout 8 gluons différents. En fait, ce nombre 8 est lié au fait que l'interaction forte est décrite par des matrices de rotation du groupe SU(3) dans lequel les éléments sont fixés par 8 paramètres. D'ailleurs, on peut remarquer que le nombre 3 dans le groupe SU(3) correspond également au nombre de couleurs possibles pour un quark.
Finalement, on peut décrire l'intérieur d'un hadron comme un assemblage de quark avec des gluons qui forment des liaisons entre eux. Cependant, comme dans un hadron, les quarks sont très proche, l'interaction forte n'est pas immense et les quarks restent suffisamment libres. Ainsi, la représentation sous la forme de quarks liés par les élastiques formés de gluons semble cohérente.
La deuxième grande famille de particules élémentaires est constituée des leptons. Il s'agit en fait de trois particules du types d'un électron, auxquelles correspondent 3 neutrinos. Toutes ces particules sont de spin 1/2 et de masse très faible voire nulle. Le muon est totalement identique à l'électron à l'exception de sa masse qui est 200 fois supérieure. Le tau est quant à lui, 3500 fois plus lourd que l'électron. Le rôle principal de l'électron est de former le nuage électronique des atomes. Le muon et le tau ne peuvent pas en faire autant car leur durée de vie est beaucoup trop courte.
Cependant, le muon vit assez longtemps (quelques microsecondes) pour se placer en orbite autour d'un noyau. En effet, si on parvient à le piéger dans le potentiel du noyau d'un atome, sa masse importante va lui faire descendre rapidement les niveaux d'énergies jusqu'à ce qu'il se retrouve sur le premier niveau. Mais comme sa masse est 200 fois supérieure à celle de l'électron, il sera aussi 200 fois plus près du centre du noyau, et à donc une très forte probabilité de se trouver dans le noyau. La durée de cette mise en place est négligeable devant sa durée de vie donc, il devient possible d'étudier directement l'intérieur de se noyau. C'est ce qu'on appelle un atome muonique. Par contre, les atomes tauiques sont irréalisable car le temps de mise en place est environ égal à la durée de vie du tau.
Les trois neutrinos correspondent chacun à une des trois particules précédentes.
Le neutrino est de nos jours très souvent cité dans l'actualité scientifique de part son mystère et les implications qu'il pourrait avoir dans plusieurs domaines scientifiques.
Son existence a été supposée en 1930 par Pauli suite aux problèmes énergétiques rencontrés dans les désintégration Bêta. Mais cette hypothèse resta à l'état de rêve jusqu'en 1956, date à laquelle on l'a détecté pour la première fois.
La désintégration Bêta impose à cette particule d'être de spin 1/2 et de charge nulle, Fermi l'appela donc "neutrino" (le petit neutre). Depuis, on a également detecté le neutrino muonique mais on cherche toujours le tauique. Cette particule est probablement la plus mystérieuse du modèle standard. Ceci est dû au fait qu'elle n'est soumise qu'à la force faible. Ainsi 65 milliards de neutrinos nous traversent chaque seconde sans ne rien sentir.
La principale chose que l'on cherche à connaître est sa masse. On ignore toujours si elle nulle ou pas mais des expériences récentes, très controversées, semblent montrer qu'elle était forcément inférieure à 10 eV/c². On utilise pour cela le fait que si les neutrinos ont une masse, ils oscillent. C'est à dire qu'un neutrino électronique va se transformer en muonique et en tauique. Par ailleurs, si le neutrino possède une masse non nulle, il sera alors égal à son antiparticule, et cela permet alors de prévoir des double-désintégration Bêta sans émission de neutrinos. Mais cela n'a toujours pas été observé.
Plus de détails sont disponibles à la page Les Neutrinos.
Le modèle standard nécessite pour être cohérent, l'existence d'une particule nommée Boson de Higgs. En fait, ce sont même trois particules H-, H° et H+ qui sont nécessaires mais seul H° est censée être observable.
Ceci vient de la théorie des champs de Yang-Mills. Ces champs sont à l'origine à vecteur de masse nulle si bien que seulement deux états de spin sont possibles au lieu de trois. En fait, si on applique ceci aux vecteurs de l'interaction électrofaible, on constate que les W+,W- et Z° ont une masse non nulle et donc trois états possibles. Par contre, le photon vérifie bien les conditions du champ de Yang-Mills.
Pour que les trois bosons vectoriels les vérifient également, on considère qu'il était au départ de masse nulle mais qu'ils ont depuis absorbé un autre boson, dit boson de Higgs. Ce boson de Higgs correspond à un champ constant, dit champ de Higgs, ce qui ne change pas les propriétés de l'espace considéré. Il existerait donc 4 bosons de Higgs : H+ aurait été absorbé par W+, H- par W-, H° par Z°. Mais le photon qui vérifiait les hypothèses n'a pas absorbé son boson de Higgs, également noté H°.
On devrait donc pouvoir observer ce H° mais pas les 3 autres. Cependant, ce boson reste très mystérieux étant donné qu'on ne sait notamment, qu'encadrer sa masse.
En fait, ce modèle n'est qu'un des nombreux modèles expliquant la masse des bosons par le mécanisme de Higgs. Il s'agit toujours de superposer un champ scalaire uniforme non nul. Ici, on superpose un champ différent pour chaque boson mais certains modèles superposent le même champ, avec une constante de couplage différente. Ce mécanisme est très usité dans plusieurs domaines de la physique.
La très probable découverte de ce boson en 2012 est un formidable succès pour le modèle standard.
La plupart des particules ont une durée de vie finie. Pour les quarks et les leptons, celle-ci est très courte pour les éléments de la 3ème famille alors qu'elle est relativement longue pour ceux de la 1ère. Les particules se désintègrent donc assez rapidement en émettant d'autres particules, pas forcément plus stable. Mais cette réaction doit toujours avoir lieu en respectant la conservation de toutes les grandeurs habituelles.
La conservation des nombres leptoniques et baryoniques impose qu'il existe un lepton stable et un baryon stable. Parmi les baryons, la particule la plus stable que nous connaissions est le proton dont la durée de vie est supérieure à 10E39 secondes. Cependant, si le proton est stable et ne désintègre jamais, il en va de même de l'antiproton. Les baryons finissent donc tous par se transformer en protons ou en antiprotons. Mais comme chaque particule est toujours créée en même temps que son anti-particule, après désintégration de toutes celles-ci en protons et anti-protons, on doit obtenir le même nombre de protons et d'antiprotons et donc annihilation totale de ceux-ci. L'univers ne pourrait donc pas exister si le proton était stable.
On peut représenter une famille de leptons et quarks grace à des matrices du groupe Spécial Unitaire SU(5). Ces matrices sont habituellement constituées de deux blocs diagonaux, le premier décrit les transformations des baryons en baryons, le second, celles de leptons en leptons.
Lorsque tous les éléments en dehors de ces blocs sont nuls, la conservation des nombres leptoniques et baryoniques est assurée. On est donc amené à considérer que, étant donné l'existence de l'univers, les éléments en dehors de ces deux blocs ne sont pas nuls. Ils correspondent alors à des bosons intermédiaires X très lourds intervenants notamment dans la désintégration du proton.
En fait, on évalue leur masse à 1E15 GeV soit, mille milliards de fois l'énergie actuellement accessible dans les accélérateurs de particules. Autant dire que la découverte de ces bosons intermédiaires X est très peu probable.
Cependant, cela ne suffit à justifier l'existence de l'univers dans la mesure où, les quantités de matière et d'antimatière étant identiques au moment du Big Bang, elles devraient l'etre de nos jours. On admet donc que la désintégration du proton existe, mais qu'elle est plus rare que celle de l'antiproton. La quantité d'antimatière baryonique actuelle est donc logiquement inférieure à la quantité de matière baryonique.
Notre existence est donc peut-être due à la violation de la conservation du nombre baryonique et à une brisure de la symétrie C de conjugaison des charges, dans la désintégration du proton.
Ces théories associent à chaque particules "classiques" une particule supersymétrique. Ainsi à tout fermion est associé un boson (dont on obtient le nom en rajoutant le préfixe "s" devant le nom de la particule originale) et à tout bosons est associé un fermion (dont on obtient le nom en rajoutant le suffixe "ino"). Cependant, toute ces particules supersymétriques n'ont jamais été observées. Par exemple, le sélectron doit avoir une masse de 1000 GeV/c², ce qui est encore supérieur aux énergies actuellement accessibles.
Ces théories permettent par ailleurs de montrer que les lois de la physique sont indépendantes du référentiel d'étude, ce qui est l'hypothèse de base de la Relativité Générale d'Einstein. La supersymétrie a donc l'énorme avantage de pouvoir décrire la gravitation. Ainsi, elle prévoit que cette force est régie par le graviton, boson de masse nulle et de spin 2. Ces études ont permis de fonder la théorie de la supergravité, qui décrit les univers de dimension inférieure ou égale à 11. Mais que représente alors les dimensions autres que l'espace et le temps ?
Au début des années 20, Kaluza et Klein et émis l'hypothèse que l'univers classique à 4 dimensions en possèdait en fait une 5ème. Cependant, cette nouvelle dimension avait la particularité de ne pas être infinie, mais au contraire, de se refermer sur elle-même, en cercle. On a supposé que sa taille était si petite qu'elle était totalement imperceptible à notre échelle. Le fait que cette 5ème dimension se referme sur elle-même impose une quantification des longueurs d'onde des phénomènes qui s'y propage. La quantification apparaît donc naturellement dans cette théorie.
Les 7 dimensions invisibles peuvent donc être finies ou infinies. Par exemple, la quantification des charges électriques en multiples de la charge élémentaire e, pourrait découler du fait qu'une de ses dimensions soit finie.
Désormais, la théorie de la supergravité a été supplantée par ce que l'on appelle les cordes, ou plus généralement les membranes. Toutes ces théories,qui se basent également sur l'hypothèse de supersymétrie, décrivent l'univers par l'étude du mouvements d'objets de dimension 1, les cordes, ou de dimension supérieure, les membranes. Cela a abouti à la construction de 5 théories différentes, permettant chacune de décrire certains phénomènes physiques. On cherche maintenant à construire la théorie M, qui doit englober ces cinq théories et ainsi décrire l'ensemble de l'univers.
