Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016)

Pour décrire le monde qui nous entoure, on dispose du Modèle Standard des particules (MS) qu’on peut résumer, dans sa version minimale, de la façon suivante et que l’on va détailler plus loin :

Tel qu’il est ce modèle dans sa version minimale a besoin d’être complété : on a des masses non nulles, très différentes, on a plusieurs forces en jeu, où est passée l’antimatière ? Qu’est-ce que la matière noire ?...

La figure 1 résume notre connaissance sur les particules de matière :

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 1. Les particules élémentaires de matière

Les trois colonnes présentent les trois familles avec leurs composants. Chaque famille est constituée de quatre fermions (spin ½) :

Quarks et leptons ont des interactions différentes (voir figure 2).

L’année de découverte est notée à côté de chaque particule ainsi que leur masse : l’électron a été mis en évidence en 1897, la dernière particule de matière, le quark top, un siècle plus tard en 1995.

Toutes les particules de ce tableau ont une masse. Les particules les plus mystérieuses, les neutrinos ν, se distinguent par une masse très très faible, dont on ne connait que des limites supérieures (quelques eV). On remarque tout de suite la grande disparité des masses : le quark top a une masse 175 fois plus grande que celle d’un proton, et 350 000 fois celle de l’électron !

La première famille (quarks up et down, électron et son neutrino associé) est celle des constituants de nous-mêmes et de notre monde quotidien (= les nucléons et par conséquent la matière ordinaire, les processus chimiques, la radioactivité naturelle …). Tous les composants de cette famille sont stables. La figure 2 nous montre par exemple comment on constitue le nucléon à partir des quarks (modèle naïf du proton et du neutron).

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 2. Exemple de construction du nucléon constitué à partir du quark up et du quark down (appelés quarks de valence)

La deuxième famille a été mise au jour avec la détection des rayons cosmiques qui nous traversent quotidiennement et avec les premiers accélérateurs de particules dont l’énergie était suffisante pour créer des particules de quelques GeV de masse. Ainsi l’électron a un « cousin » plus lourd, le muon μ, qui constitue une grande partie des rayons cosmiques qui arrivent sur terre.

La troisième famille a été mise en évidence grâce aux accélérateurs de plus en plus puissants, capables de créer des masses de plus en plus élevées (E = Mc² !). Ainsi l’électron a un second « cousin », le tau τ, 900 fois plus lourds ! Le quark top, qui complète cette famille, n’a été découvert qu’en 1995 grâce au collisionneur proton-antiproton Tevatron aux USA.

Les composants des deuxième et troisième familles ne sont pas stables, ils se désintègrent en composants de plus faible masse et ne peuvent ainsi constituer la matière stable.

À la différence des leptons, en plus de la charge électrique fractionnaire (+2/3, -1/3), les quarks portent aussi une charge dite de couleur qui leur permet d’être sensibles à l’interaction forte. Les leptons ne subissent pas l’interaction forte et les particules « physiques » (détectables) ont une couleur nulle.

Les observations expérimentales nous apprennent qu’il n’y a que trois familles de ce type. Le Modèle Standard nous explique comment tout cela s’organise avec les trois forces mises en jeu : il en ressort l’impression d’une construction cohérente, mais qui n’explique pas tout. Pourquoi trois familles, pourquoi des masses non nulles aussi différentes, ces particules (en particulier le quark top) sont-elles élémentaires… ?

Enfin on se doit de compléter ce tableau de particules élémentaires par celui des antiparticules évoquées plus haut (figure 3) :

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 3. Particules et antiparticules

Il faut noter ici que le photon ɣ, apparaissant à part dans ce tableau, est sa propre antiparticule. D’autre part les trois neutrinos ν, dont on ne connait pas toutes les propriétés, semblent constituer un secteur vraiment à part : ils peuvent avoir leur antiparticule comme indiqué ci-dessus (neutrino de Dirac) ou être leur propre antiparticule (neutrino de type Majorana). Cette question fait l’objet de recherche intensive avec des détecteurs dédiés. De plus leur masse presque nulle reste énigmatique.

L’une des questions fondamentales qui se pose ici est celle de l’antimatière : alors qu’il y avait autant de particules que d’antiparticules créées lors du big-bang, notre univers n’est constitué que de matière. Alors qu’est devenue l’antimatière ? On a seulement pu créer en laboratoire au CERN des anti-noyaux (vers 1970) et plus récemment (vers 2000) des anti-atomes, mais en très faible quantité et pendant des temps très courts avant annihilation.

La notion de force a évolué au cours du temps, suivant l’avancée de nos connaissances théoriques. On peut représenter la façon d’interpréter une force de la façon suivante :

On rencontre souvent une illustration naïve de cet échange de particule avec l’image des deux personnes ci-dessus qui échangent un ballon chacune sur une barque. Les deux barques s’éloignent sous l’action de cet échange, cela matérialise une force répulsive. L’analogie s’arrête là.

Les quatre forces fondamentales sont résumées dans le tableau qui suit. Chacune des forces correspond à une ligne du tableau : Gravitation, Electromagnétique, Forte et Faible, avec leur domaine d’application et leur représentation en termes de messager associé.

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 4. Principales caractéristiques des quatre forces fondamentales connues. La dernière colonne indique approximativement leur intensité relative par rapport à la force « forte » (nucléaire)