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particule quark lepton interaction matière aintmatière force

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

2. Les particules élémentaires et les interactions fondamentales (2/5)

Bernard Ille

Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Delphine Chareyron

02/05/2016

Résumé

Cette série de 5 articles consécutifs présente l'état actuel de nos connaissances sur les briques élémentaires qui constituent la matière.


1. Le paradigme de simplification : où en est-on ?

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 :

  • Trois familles de briques élémentaires constituent la matière connue de l’univers, qui ont presque toutes une masse qu’il faut expliquer car, dans sa version minimale, toutes les masses sont nulles ;
  • Existence de quatre forces fondamentales dont trois seulement sont à considérer dans notre description des particules ; ces forces (ou interactions) sont dues à l’échange d’un messager de la force, nommé boson de jauge, de spin entier ;
  • Chaque particule a une antiparticule de charge électrique opposée (cela vient du mariage relativité-mécanique quantique) ;

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 ?...

2. Les particules élémentaires de matière (les 4% de matière connue)

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

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) :

  • deux quarks (de charge électrique fractionnaire),
  • et deux leptons (neutre ou charge entière).

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).

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) :

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.

On pourra consulter la conférence d'Etienne Klein « Ettore Majorana : la résurrection d'un jeune physicien »

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.

3. Les quatre forces fondamentales

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 :

  • Action à distance instantanée : la force sur A dépend d’où se trouve B (théorie de Newton). Mais comment A peut savoir où est B ? C’est la description de l’attraction des planètes.
  • Interaction à travers les champs : B crée un champ (par exemple un champ électrique) en chaque point de l’espace. A est en mouvement selon la direction où le champ change de valeur (théorie de Maxwell). Mais il n’y a aucune connexion entre A et B.
  • Théorie quantique : B émet une particule, un quantum d’énergie qui est le messager ou médiateur de la force entre A et B. A « absorbe » ce messager et de ce fait « recule ». Tout cela se passe dans un laps de temps très court (voir l’une des relations d’indétermination de Heisenberg qui permet de créer un messager, d’autant plus lourd que le laps de temps est court).

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.

4. Tableau récapitulatif des quatre forces fondamentales

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.

  • La force gravitationnelle : elle s’exerce sur toutes les particules massives car elle s’applique à la masse, sa portée est infinie et son intensité relative ramenée à celle de l’interaction la plus forte est extrêmement faible. C’est pourquoi on la néglige au niveau de la dynamique des particules. Le messager associé, le graviton de spin 2, n’a jamais été mis en évidence, cette force résiste à la quantification.
  • La force électromagnétique : c’est certainement l’une des plus connues, son messager est le photon de spin 1 et de masse nulle, elle s’applique à toutes les particules chargées car elle se couple à la charge électrique, sa portée est infinie. Elle est environ 100 fois plus faible que la force forte.
  • La force forte : elle est responsable de la cohésion des noyaux et maintient les quarks à l’intérieur des nucléons, elle s’exerce sur les quarks et son médiateur est le gluon de spin 1, de masse nulle et qui porte une charge dite de couleur permettant le couplage (donc l’interaction) quark-gluon ainsi que gluon-gluon. Sa portée est faible, de l’ordre du Fermi (diamètre du proton soit 10-15 m) et son intensité est 1. Contrairement au photon de charge électrique nulle, le gluon interagit avec lui-même (car il porte une charge de couleur).
  • La force faible : longtemps la moins connue, s’exerce sur les leptons et les quarks ; elle est responsable entre autre de la radioactivité β et du rayonnement du soleil, sa portée est très faible ainsi que son intensité, ses médiateurs sont les bosons W+ et W- chargés et le boson Z° neutre de masse élevée (de l’ordre de 90 GeV).

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