Un peu de physique...

Les particules élémentaires

Il existe deux types de particules élémentaires : les fermions et les bosons. Les fermions sont les « particules de matière ». Les fermions ont un spin demi-entier et ils sont soumis à la statistique de Fermi-Dirac. Ils respectent le principe d'exclusion de Pauli et c'est ce qui en fait les constituants de la matière. Les bosons sont associés aux interactions. Ils ont un spin nul ou entier et ils sont soumis à la statistique de Bose-Einstein. Rien ne les empêche de s'accumuler dans un même état quantique. Toutes les particules ont une « antiparticule » : une particule de masse identique mais de charges opposées.

Interactions

Les interactions de la mécanique quantique sont au nombre de 3 :

  • L'interaction électromagnétique, de portée infinie. Le boson associé à l'interaction électromagnétique est le photon. La théorie quantique de l'interaction électromagnétique est la QED (Quantum Electrodynamics). La QED est une théorie de jauge dont le groupe de Lie est U(1). Elle agit sur toutes les particules ayant une charge électrique non nulle.
  • L'interaction nucléaire faible, de très courte portée (10-17 m). Les bosons associés à l'interaction nucléaire faible sont les bosons W et le boson Z0. La théorie quantique de l'interaction nucléaire faible est la théorie électrofaible qui englobe également l'interaction électromagnétique. La théorie électrofaible est une théorie de jauge dont le groupe de Lie est U(1)xSU(2). L'interaction nucléaire faible agit sur toutes les particules ayant une charge d'isospin faible non nulle. L'interaction faible est responsable des phénomènes de radioactivité.
  • L'interaction nucléaire forte, de très courte portée également (10-15 m), mais extrêmement puissante (la plus puissante des trois dans la limite de sa portée). Les bosons associés à l'interaction nucléaire forte sont les gluons. La théorie quantique de l'interaction nucléaire forte est la chromodynamique quantique (QCD). La QCD est une théorie de jauge dont le groupe de Lie est SU(3). L'interaction nucléaire forte agit sur toutes les particules dont la charge de couleur n'est pas neutre. C'est elle qui assure la cohésion des protons et des neutrons et, indirectement, celle des noyaux des atomes.

La portée des interactions est liée à la masse des bosons qui les transportent. A un boson de masse nulle correspond une portée infinie. C'est le cas de l'interaction électromagnétique. A contrario, à des bosons massifs ne peuvent correspondre qu'une interaction à courte portée.

La charge de couleur est une propriété des particules sensibles à l'interaction forte. La charge de couleur ne peut prendre que trois valeurs auxquelles on a donné arbitrairement le nom de rouge, vert et bleu. (Pour être rigoureux, il faut ajouter à ces trois couleurs trois anti-couleurs : anti-rouge, anti-vert et anti-bleu). Il s'agit des vecteurs propres de l'opérateur de symétrie du groupe SU(3) sur lequel est basée la QCD. La charge de couleur n'a rien à voir avec les couleurs de l'arc en ciel : elle doit son nom à la facétie des chercheurs...

Pour être tout à fait exhaustif, il convient d'ajouter à ces trois interactions l'interaction avec le champ de Higgs (ou champ BEH). C'est l'interaction avec ce champ qui confère à la plupart des particules une masse effective (m = E/c2). Le boson associé à cette interaction est le boson de Higgs.

Certains ont proposé d'adjoindre à la liste des bosons le graviton qui transporterait les ondes gravitationnelles. Son existence n'a jamais été démontrée à ce jour et il n'existe pas aujourd'hui de théorie de la gravitation quantique.

Fermions

Les fermions peuvent être subdivisés en deux catégories en fonction de leur sensibilité aux interactions faible et forte :

  • Les quarks sont sensibles à toutes les interactions (faible, forte et électromagnétique).
  • Les leptons ne sont pas sensibles à l'interaction forte. Parmi ceux-ci, l'électron, le muon et le tau sont sensibles à l'interaction faible et à l'interaction électromagnétique. Les neutrinos (électronique, muonique et tauique) ne sont sensibles qu'à l'interaction faible.

Les quarks n'existent pas à l'état de particule libre. Ils sont regroupés au sein de particules composées, les hadrons. Il y a principalement deux types de hadrons :

  • Les baryons, composés de 3 quarks, parmi lesquels on compte les protons et les neutrons (aussi appelés nucléons car ce sont les composants des noyaux atomiques).
  • Les mésons, composés d'un quark et d'un antiquark. Parmi ceux-ci, les mésons pi jouent un rôle essentiel dans la cohésion des noyaux atomiques. C'est l'échange de mésons pi entre les nucléons qui les lie ensemble.

Il existe également des particules composées plus exotiques comme les pentaquarks mais leur durée de vie est très courte.

Bosons

Les bosons sont les particules associées à l'énergie de couplage des interactions. Dans le modèle standard, ces interactions sont représentées par des théories de jauge. On dit aussi de ces bosons que ce sont des bosons de jauge.

Le photon est le boson associé à l'interaction électromagnétique. Il est de masse nulle et ne porte pas de charge électrique, ce qui fait que l'interaction électromagnétique a une portée infinie (voir le post sur la portée des interactions).

Les bosons de l'interaction faible sont les bosons Z0, W+ et W-. Leur masse était nulle au moment du Big-bang mais ils ont acquis une masse en interagissant avec le champ de Higgs (voir le post au sujet du champ de Higgs) : 81 GeV pour les bosons W et 91 GeV pour le boson Z0. C'est cette masse qui limite la portée de l'interaction faible. La charge électrique du boson Z0 est nulle, la charge des bosons W est +e et -e.

Les bosons de l'interaction forte sont les gluons. Il y en a 8. Leur charge électrique est nulle. Ils portent une charge de couleur (voir le post sur l'interaction forte). La masse des gluons est nulle mais ils interagissent entre eux (on dit de l'interaction forte qu'elle est auto-couplée). L'énergie d'interaction des gluons constitue une part non négligeable de la masse du proton et du neutron. C'est également cette énergie qui limite la portée de l'interaction forte.

Le boson de Higgs est associé au champ de Higgs (voir le post sur le champ de Higgs).

Modèle standard des particules

Le modèle standard des particules regroupe la QED, la théorie électrofaible, la QCD et le mécanisme de brisure de symétrie du champ de Higgs dans un ensemble cohérent dont les effets ne cessent d'être vérifiés dans les multiples expériences menées dans le monde entier. Son principal défaut : il n'intègre pas la gravité (au sens de la relativité générale).

 

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