Physique des particules 101 - A la rencontre des particules élémentaires

As said below, I start today a series of basic posts on particle physics, in French. The English version of this post is available here, in which I discuss the structure of matter in details.

Cela fait un bout de temps que je n’ai pas écrit en français, je sais. Je sais aussi que je dis ça a chaque post en français que j’écris.

Mais pour ma défense, la quantité d’articles que j’écris en anglais n’est pas énorme non plus.

Le temps n’est pas extensible, et @steemstem a besoin de moi… ;)

Ceci dit, il faut faire des efforts. Et donc nous y voilà.

Aujourd’hui, je vais tenter de démarrer une série de posts introductifs sur la physique des particules.

Pour commencer, je compte discuter de la structure de la matière, à son niveau le plus élémentaire bien entendu.

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LA STRUCTURE DE LA MATIERE

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Le Grand Collisionneur de Hadrons (communément appelé le LHC par son petit nom) vise à sonder les lois fondamentales de la nature. En d’autres termes, il s’agit à la fois de vérifier le Modèle Standard de la physique des particules et de tenter d’observer des phénomènes nouveaux. Ces derniers permettront de démontrer que le Modèle Standard doit être étendu à une nouvelle théorie plus fondamentale.

Mais qu’est le Modèle Standard?

En très (très très très très) résumé, il s’agit de la théorie qui décrit le monde des particules élémentaires (les particules présentes sur l’image ici à gauche).

Mais pour décrire ces particules, démarrons avec le commencement…

Au commencement (oui, je sais… encore une blague pourrie limite), il y avait un atome. Et partir des atomes, on peut construire toute la matière qui nous entoure.

Dans les années 1910, Rutherford nous a appris que les atomes n’étaient pas les briques les plus fondamentales de la matière. Ils sont en effet constitués d’une zone très dense en leur centre, le noyau atomique, et d’électrons périphériques qui lui orbitent autour.

Bien que nous n’avons toujours aucune preuve que les électrons possèdent une soustructure (voir ici), il est aujourd’hui clair que les noyaux atomiques ne sont pas fondamentaux.

Ils sont en effet faits de neutrons et protons.

Mais notre histoire ne s’arrête pas ici (sinon cela ne serait pas marrant). Il a été découvert plus tard que les protons et neutrons sont également composites et faits de quarks. Il faut en fait deux classes de quarks pour construire un neutron ou un proton: des quarks up et des quarks down.

Tout ceci est résumé dans la figure ci-dessous.

_{[image credits: fait maison (à partir d’ingrédients natures que l’on peut se procurer partout)]}

Dans cette figure, on voit que le proton est fait de deux quarks up et d’un quark down. Pour le neutron, c’est l’inverse. Dans une première approximation, on va se contenter de cela (même si protons et neutrons sont légèrement plus complexes).

Jusqu’à présent, nous n’avons pas pu observer la moindre soustructure aux quarks., de sorte que pour résumer, nous pouvons dire que les blocs fondamentaux de la matière sont les quarks up et down, et l’électron.

Mais ce n’est pas tout…

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NEUTRINOS

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Bien que nous avons pour le moment introduits trois bestioles (deux quarks et un électron), il existe une quatrième particule fondamentale, le neutrino. Son existence fut mise au goût du jour lors des premières études des désintégrations radioactives beta du début du 20^ème siècle.

L’hypothèse de l’existence des neutrinos fut émise pour expliquer les données des expériences de radioactivité, et notre petit ami fut ensuite découvert.

Au niveau des particules fondamentales, la désintégration beta est illustrée ici à droite.

On y voit un noyau atomique dont l’un des neutrons se transforme en proton, avec l’émission d’un électron et d’un neutrino.

Sans le neutrino, l’énergie de l’électron est bien définie et possède une seule valeur unique. Seulement, les données indiquaient que toute valeur plus petite ou égale était également possible. En d’autres termes, l’énergie était partagée entre l’électron et une particule invisible: le neutrino.

Ainsi, nous avons quatre particules élémentaires (les deux quarks up et down, l’électron et le neutrino) qui forment ce qu’on appelle une génération de fermions élémentaires.

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AU-DELA DE LA STRUCTURE DE LA MATIERE - LE NOMBRE 3

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Un concept important mentionné ci-dessus est celui de la première génération de fermions. La nature aime s’amuser avec nous on dirait, et elle nous a gratuitement offert trois générations pour le prix d’une. Du coup, nous n’avons pas 4, mais 12 particules élémentaires.

Ces 12 particules sont celles indiquées ici à gauche. Trois quarks de type up (up, charm et top), trois quarks de type down (down, strange et bottom), trois leptons chargés (électron, muon et tau) et trois neutrinos.

La seule différence entre les particules de deux colonnes consiste en leur masse. La deuxième colonne est ainsi plus lourde que la première et la troisième est plus lourde que la seconde. A part ça, tout le reste est identique.

Pourquoi trois copies? Aucune idée et les chercheurs y pensent fortement. Comprendre cela est l’un des grand mystère actuel de la physique des particules.

Et nous avons bien 3 et non pas 4 générations. Les données sont là pour ça!

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RESUME

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Et voilà qui clot ce premier post introductif à la physique des particules. J’ai présenté les 12 fermions du Modèle Standard qui permettent d’expliquer la structure de la matière et comment les atomes y sont connectés.

Pour plus d’informations, ne pas hésiter à fouiller ce livre (pour non spécialistes), écrit par le prix Nobel M. Veltman.

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