Particules - introduction au modèle standard

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Les particules obéissent aux lois de la mécanique quantique.

"Elles sont toutes cinglées de la même façon."

Richard Feynman

Voir Pensées & humour

PARTICULES

DU MODÈLE STANDARD

Une familiarisation avec le bestiaire des particules atomiques.

Le sujet est vaste! Pour connaître les autres rubriques

relatives à la physique nucléaire: Voir INDEX

POUR S'Y RETROUVER

Une nomenclature très simplifiée (Mais qui donne l'essentiel)

Neutrons et protons forment le noyau de l'atome; ce sont les nucléons.

L'électron gravite autour du noyau.

Le "bestiaire" des particules est un peu plus vaste que celui présenté ci-dessus. Mais les autres particules sont éphémères.

Voir nomenclature

TAILLES ATOMIQUES & ÉNERGIES

Tailles

Entité	Taille (m)	Énergie
QUARK	10^-18	10 à 100 TeV
ÉLECTRON	< 10^-17
NEUTRON / PROTON	10^-16	1 GeV
NOYAU	10^-15
NOYAU – Épais	10^-14	100 MeV
ATOME – Léger (Hydrogène)	10^-10
ATOME – Lourd (Uranium)	4 x 10^-10	1 eV
MOLÉCULE	> 10^-10
MOLÉCULE Atome large	10^-8	0,1 eV

Voir Petits nombres

Comparaisons

Si l'atome avait un mètre de diamètre, son noyau ne serait pourtant pas plus gros qu'un minuscule grain de poussière de 1/10 mm. C'est cela le vide de l'atome.

Si tous les atomes de mon corps devaient se rassembler jusqu'à se toucher, je ne serais plus visible à l'œil nu. J'aurais la taille d'une infime poussière de quelques millièmes de millimètre à peine.

Si l'atome était une sphère creuse, il pourrait contenir 10¹⁵ noyaux.
Une tête d'épingle remplie de noyaux pèserait 100 000 tonnes.

Suite…

Certains scientifiques postulent l'existence de particules encore plus petites: les préons.

Préons 10^-20 m 10 TeV

Rappel

1 eV (électronvolt):

Énergie reçue par l'électron en passant du – au + d'une pile de 1 volt.

Énergie qu'acquiert une particule dans un milieu porté à 10 000 degrés.

Modèle standard – Présentation

Le modèle standard de la physique des particules

en abrégé "modèle standard".

Théorie qui explique les phénomènes à l'échelle des particules.
Il s'applique aux particules connues et aux trois interactions: l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Il explique tous les phénomènes naturels sauf la gravitation.

Le modèle standard est une théorie à la fois quantique et relativiste. Il prédit aussi l'existence du boson de Higgs : particule qui permet d'expliquer la masse. Cette particule n'a pas encore été découverte.

Le modèle standard est apprécié car il est (relativement) simple. En effet, il explique que toutes les particules observées peuvent être obtenues à partir de 12 constituants élémentaires:

6 leptons, et leurs antiparticules

6 quarks, et leurs antiparticules

et des particules messagères

Deux sortes de particules

Il y a 2 sortes de particules :

Les particules qui sont de la matière,
Comme les électrons, les protons, les neutrons ou les quarks:

Les neutrons et les protons (les nucléons) sont composés de particules élémentaires appelés quarks.

Et les particules messagères qui véhiculent les forces,
Comme les photons.

Chaque type de force est "véhiculé" par une particule messagère. Le photon, par exemple, pour la force électromagnétique

Modèle Standard en résumé

Particules messagères de force: chaque type d’interaction est véhiculé par une particule.

Particules de matière: la plupart des particules que nous connaissons sont constituées de quarks et de leptons.

Six leptons

trois ayant une charge électrique négative: électron, muon et tau;

trois sans charge électrique: les neutrinos;

à chaque lepton chargé, un neutrino.

Les neutrinos ont une masse très faible et ne sont pas chargés; Peu d'interactions avec les autres particules.

À chaque lepton est associé un antilepton

Même masse, charge opposée. Ensemble, ils s’annihilent pour libérer une quantité formidable d'énergie.

Voir Maths du modèle standard – Groupes de Lie

Modèle standard – Particules

12 particules "MATIÈRES"

D'après L'aventure des particules

Chaque colonne forme une famille.

L'électron et les deux quarks Up et Down forment la matière stable habituelle. C'est-à-dire pratiquement tout l'Univers.

Le quark se présente en trois couleurs: soit 3 x 6 = 18 quarks.

Avec les antiparticules, on compte:

(18 + 6) x 2 = 48 particules de matière.

Voir Ce tableau avec caractéristiques

	Famille 1
Leptons	ÉLECTRON	e
	Neutrino Électronique	_e
Quarks	Up	u
	Down	d
LA MATIÈRE: toutes les particules du monde qui nous entoure appartient à ce groupe.

	Famille 2
Leptons	MUON
	Neutrino Muonique
Quarks	Charmed	c
	Strange	s ou e
Ces particules ont existé après le Big Bang. Maintenant, on les trouve seulement dans les rayons cosmiques et les accélérateurs.

	Famille 3
Leptons	TAU
	Neutrino Tauique
Quarks	Top	t
	Bottom	b
Ces particules ont existé après le Big Bang. Maintenant, on les trouve seulement dans les rayons cosmiques et les accélérateurs.

Modèle standard – Particules

messagères de force

Les particules régissant les interactions entre les particules de "matière" sont les bosons de jauge. Elles sont 12 + 1?

Électromagnétisme	1	Photon
Interaction faible	3	Bosons	W^- W⁺ Z⁰
Interaction forte	8	Gluons
Gravité	1	Graviton ?

Plus une particule spéciale: le boson de Higgs.

Toutes les forces respectent la symétrie, sauf l'interaction faible qui viole la parité. La symétrie entre le monde et l'antimonde n'est pas respectée.

Modèle standard – Particules – Bilan

TOTAL particules

Matières	48
Interactions	12	Certains prévoient des bosons semblables au W et Z, mais plus massifs.
Graviton ?	1	Expliquant la gravité (hypothèse).
Boson de Higgs ?	1	Expliquant la masse (hypothèse) Sa masse se situerait autour de 160 GeV (de 120 à 190?). Sa traque a commencé au LHC.

SUSY

Une des théories modernes (la Supersymétrie ou Susy) double pratiquement toutes les particules pour retrouver une symétrie.

Les fermions de spin ½ sont doublés de fermions de spin 1.

Les bosons de spin 1 sont doublés de particules de spin ½.

Sélectron, sleptons, squarks, gluinos, photinos, wuinos, zinos…

Voir Théorie des cordes

HISTORIQUE – Date de la découverte des douze particules
Atome Atome 1805 Électron 1891 Proton 1919 Neutron 1932 Particules
	Famille 1		Famille 2		Famille 3
LEPTONS	ÉLECTRON	1897	MUON	1946	TAU	1975
LEPTONS	Neutrino Électronique	1956	Neutrino Muonique	1962	Neutrino du Tau	2000
QUARKS	Up	1968	Charmed	1974	Top	1994
QUARKS	Down	1968	Strange	1968	Bottom	1977

Principales découvertes

Voir Histoire de la mécanique quantique

HISTORIQUE – Chronologie

Atome

Démocrite en l’an 400 av. J.C.

L’univers est fait de vide et de particules invisibles, les atomes, qui diffèrent les unes des autres par leur forme, leur position et leur arrangement.

Voir Détails

Quelques siècles plus tard

Vers 1900

Atomes vus comme des sphères dures.

Détection de familles dans le tableau périodique de Mendeleïev: idée que les atomes ne sont pas fondamentaux, ils peuvent être encore divisés.

Expériences de Geiger et Marsden sous la supervision de Rutherford: atomes composés d'un noyau dense positif entouré d’un nuage électronique.
Protons: Rutherford en 1919
Rutherford: les atomes possèdent un noyau très petit mais très dense.
Neutrons: Chadwick en 1931.

Vers 1930

Bonne idée de la structure de la matière.

Les protons, les neutrons et les électrons constituent les briques élémentaires de toute matière.Il manque une explication des forces de cohésion de cette matière. On utilise un nouvel instrument pour faire des observations dynamiques: l'accélérateur de particules.
Un peu comme avec la lunette astronomique, les physiciens découvrent un monde beaucoup plus copieux que ce qu'ils pensaient.

Vers 1960

Déjà une centaine de particules avaient été identifiées. Que faire de tout cela? Et, en prime, aucune explication nouvelle concernant les forces fondamentales !

En 1964, Modèle Standard

Murray Gell-Mann et George Zweig indépendamment expliquent que toutes ces nouvelles particules, et les classiques, sont explicables en les décomposant en quarks. Ainsi baptisées par Gell-Mann.

Les physiciens développent le Modèle Standard pour décrire la matière et les forces de l’univers. Avec quelques particules et interactions de base, cette théorie explique toutes les particules et leurs interactions complexes, et cela, avec une précision époustouflante.

Au-delà

Ce que le Modèle Standard explique, il l'explique très bien, mais la gravitation est absence de la théorie. De même que l'explication de la masse. Elle n'explique pas non plus pourquoi trois familles de fermions.

Une théorie ultime devrait donner des réponses à ces questions et, unifier les forces:

Théorie de la Grande Unification

ou Théorie du Tout

Les physiciens ont encore du pain sur la planche

Quarks et Mésons

Jusqu'en 1974

Les 3 quarks u, d et s suffisaient pour expliquer tous les hadrons.

En 1974

Brookhaven (USA) et Stanford (USA): on observe des résonances mésoniques lourdes (3,1 et 3,7 GeV) relativement stables (10^{-
19} s).

Implique un 4^e quark plus lourd, dit charme ou quark charmé. Il était prévu par certaines théories.

En 1977

Nouvelle résonance mésonique très lourde (9,5 GeV): 5^e quark.
Encore plus lourd baptisé bottom

En février 1994

Au Fermilab: 6^e quark: top

Voir Histoire de la mécanique quantique

LONGUEUR D'ONDE de COMPTON
3 10^-13 = 300 fermi Zone maximum de localisation d'un électron. À toute particule de masse m, la physique quantique assigne une longueur d'onde de Compton qui est la distance minimale de localisation possible d'une particule.
300 fermi = 3 10^-13 m	Zone* maximum de localisation d'un électron. 1/100 du rayon de l'atome d'hydrogène. * rayon de la zone.
0,1 fermi =	Zone* maximum de localisation du proton.
	Zone qui diminue lorsque la masse croît.
10^-10 fermi = 10^-25 m	Zone* maximum de localisation d'une balle de tennis.

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Voir	Accélérateur Atome Atomes dans l'univers Atomes lourds Cordes Éléments chimiques Masse des particules Mécanique quantique Planck
Livre	Higgs, le boson manquant – Sean Carrroll – Belin: pour la science – 2013
Sites	L'aventure des particules Matière à réflexion Voyage au cœur de la matière… Explorez l'Atome Échelle du temps de la Physique des Particules Schrödinger & Bohr Atomic Models – Animations
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