Pourquoi les physiciens étudient les particules ?

Asmaa Moujib

Faculté des Sciences de Rabat,
e-mail asmaa_moujib@hotmail.com 

Les scientifiques ont découvert que toute la matière de l’univers est formée d’un petit nombre de constituants de base appelés particules élémentaires, régis par quelques forces fondamentales.
Certaines de ces particules sont stables et forment la matière normale, les autres n’existent qu’une fraction de seconde et se désintègrent en particules stables. Toutes ont coexistées pour un bref instant après le Big Bang.
Depuis lors, seule l’énorme concentration d’énergie qui peut être atteinte dans un accélérateur au CERN (organisation européenne pour la recherche nucléaire/ grand centre de la physique des particules du monde) peut les faire renaître. Ainsi, étudier les collisions des particules revient à « regarder dans le passé », en recréant l’environnement présent à l’origine de l’univers.
Dans quel but ? Pour comprendre la formation des étoiles, de la terre, de tout ce qui nous entoure et, finalement de nous-mêmes !

Briques de l’univers : Les constituants de base de la matière.

De l’infiniment grand vers l’infiniment petit

L’idée selon laquelle la matière serait faite de « briques » fondamentales date d’au moins 2000 ans ! Les briques étaient supposées simples, sans structure et non elles-mêmes composées de quoi que ce soit de plus petit.
Nous savons aujourd’hui que toute la matière de l’univers est faite à partir d’une centaine de types (lien au tableau périodique des éléments) d’atomes, chacun d’entre eux étant fait d’électrons de charge électrique négative en orbite autour d’un noyau chargé positivement. Le noyau, lui-même, est constitué de nucléons : des protons positifs et des neutrons neutres.
Les physiciens appellent ces composants de la matière des particules.
L’électron ne semble pas avoir de structure interne. Les protons et les neutrons sont des particules composites, chacune contenant trois quarks. Comme l’électron, les quarks apparaissent sans structure. Seuls deux types des quarks appelés « up symbolisé par u » et « down symbolisé par d », sont nécessaires pour construire le proton et le neutron.
Une autre particule sans structure doit être ajoutée pour compléter le tableau : une particule neutre et très légère appelée neutrino. Elle joue un rôle vital dans les réactions qui transforment des protons en neutrons et vice versa. De telles réactions permettent à la matière de conserver la forme stable sous laquelle nous l’observons, et sont également importantes pour l’alimentation du soleil et d’autres étoiles.
Ces quatre particules sont tout ce dont nous avons besoin pour construire la matière ordinaire qui nous entoure !
En fait, il existe des formes moins « ordinaires » de la matière que nous ne pouvons pas voir : matière cosmique venant de l’espace, matière de haute énergie que nous créons et leurs « images miroir », l’antimatière.
Pour les inclure dans un cadre cohérent, nous avons besoin d’une description plus générale (lien au modèle standard) et d’autres particules.
Matière cosmique
Quelques « rayons cosmiques » traversent notre corps chaque seconde de chaque jour, où que nous soyons.
Il s’agit de particules crées lorsque des noyaux atomiques de haute énergie (essentiellement des protons) en provenance de l’espace entrent en collision avec des atomes de la haute atmosphère terrestre. Ces particules sont non seulement des électrons, des protons et des neutrons, mais aussi d’autres sortes de particules.
Près du sol, les rayons cosmiques incluent des muons, semblables aux électrons mais 210 fois plus lourds. Contrairement aux électrons, qui sont éternels, un muon ne vit qu’environ 2.2 microsecondes, après quoi il se transforme en un électron et deux neutrinos (neutrino-électron et neutrino-muon ; versions neutres et ultra légères de l’électron et du muon). Les muons eux mêmes résultent principalement de la désintégration d’autres particules de courte durée de vie. Certaines de ces particules, appelées pions, sont faites de quarks up et down. Cependant, d’autres (kaons) contiennent un troisième type de quark, appelé le quark étrange.
Ainsi la matière cosmique est formée de plus de composants que les atomes.
Matière de haute énergie
Grâce aux accélérateurs, des expériences ont trouvé de nouvelles particules fondamentales à courte durée de vie. L'une des premières à avoir été découverte fut une troisième particule chargée comme l'électron et le muon, mais 3550 fois plus lourde que l'électron. Cette nouvelle particule, appelée le tau, ne vit que pour un tiers de millionième de millionième de seconde (0.3 x 10-12 s). Il se transforme ensuite en un électron ou un muon, ou même en une particule appelée pion, toutes plus légères que le tau. Quelle que soit la façon, il produit toujours en même temps son homologue neutrino, le neutrino-tau
D'autres particules sont produites lors de collisions à hautes énergies, mais elles ne sont pas fondamentales puisque composées de quarks. Des particules lourdes, par exemple, incluent des quarks lourds, qui ne peuvent être produits qu'à des énergies élevées. Ces quarks supplémentaires sont appelés "charme", "bottom" et "top", ce qui porte le nombre total de quarks à six.
Antimatière

Illustration de la matière et de l’antimatière

Matière et antimatière sont les opposés parfaits; pour chacune des particules fondamentales de la matière, il existe une antiparticule, pour laquelle les propriétés telles que la charge électrique, sont inversées. L'électron, par exemple, a une charge négative alors que son antiparticule, appelée le positon, a une charge positive. De même le proton chargé positivement a une antiparticule chargée négativement, l'antiproton.
Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles s' "annihilent" (se détruisent mutuellement), et leur énergie réapparaît sous forme de photons ou d'autres paires particule-antiparticule.

Les scientifiques sont convaincus qu'à l'origine de l'univers, il y a environ 15 milliards d'années, des quantités égales de matière et d'antimatière furent créées.

Qu’est-ce qui maintient la cohérence de la matière?
Les particules fondamentales se lient entre elles pour former des structures de toutes tailles, depuis le proton fait de trois quarks, puis les atomes et les molécules, les liquides et les solides, jusqu'aux immenses conglomérats de matière des étoiles et des galaxies.
Elles le font par 4 interactions de base, que nous appelons forces.
La force de base qui nous est la plus familière est la gravité. C'est elle qui maintient nos pieds au sol et les planètes en mouvement autour du soleil. A l'échelle des particules individuelles les effets de la gravité sont extrêmement faibles. Une force fondamentale beaucoup plus forte est la force électromagnétique, qui se manifeste par les effets de l'électricité et du magnétisme. La force électromagnétique lie les électrons négatifs au noyau positif des atomes, et est à la base des interactions entre atomes qui donnent naissance aux molécules et aux solides et liquides. Au sein du noyau atomique et au-delà dans des structures encore plus ténues (à l'intérieur des nucléons), deux forces, qui ne nous sont pas familières, entrent en jeu: la force faible et la force forte. La force faible conduit à la désintégration des neutrons (qui est à l'origine de nombreuses manifestations de radioactivité) et permet la conversion d'un proton en neutron (responsable de la combustion de l'hydrogène au centre des étoiles).
La force forte est responsable du groupement des quarks au sein des protons, neutrons et autres particules.
La force forte est très spéciale: elle augmente avec la distance. Par exemple, les quarks liés au sein des particules n'apparaissent jamais seuls;. C'est à l'opposé des effets plus familiers de la gravité et de l'électromagnétisme, pour lesquels les forces s'amenuisent lorsque la distance croît.
La physique des particules aujourd'hui: le Modèle Standard
Les théories et découvertes de milliers de physiciens au cours du dernier siècle ont conduit à une description remarquable de la structure fondamentale de la matière: le modèle standard des particules et des forces.

Les trois générations de la matière

Le modèle nécessite 12 particules de matière et 4 particules porteuses de force pour décrire tout ce que nous savons au sujet des constituants les plus fondamentaux de la matière et de leurs interactions.
Le Modèle Standard est maintenant une théorie de la physique qui a fait ses preuves, et a été utilisée pour expliquer et prédire avec exactitude une grande variété de phénomènes.
Particules de matière

Il y a deux "familles" de particules de matière les quarks et les leptons, toutes deux telles des points et sans structure.
Il y a six quarks, généralement groupés en trois paires selon leur propriété de masse et de charge: up/down, charmé/étrange, et top/bottom. Ensuite il y a six leptons , trois avec une charge et une masse : l'électron (e-), le muon(µ ) et le tau(t ) et trois neutrinos neutres et de très faible masse (?e ), le muon-neutrino (?µ ) et le tau-neutrino ( ?t ). Encore une fois, comme leur nom le suggère, ils sont groupés en trois paires (de par leur comportement distinct dans les processus de création ou de désintégration).
Les (e-? ?e ) et (up/down) ont la masse la plus faible et suffisent à la construction de la matière stable de l'univers. Elles forment ce qui est appelé la première génération de la matière.
Cependant, elles ne sont pas suffisantes pour construire l'univers; des processus de haute énergie produisent une grande variété de particules à courte durée de vie qui requièrent l'existence de paires "plus lourdes", ou de "générations" plus lourdes de matière. Nous avons ainsi (µ / ?µ ) et (charme-étrange) qui constituent la seconde génération , tandis que (t / ?t) et (top-bottom) forment la troisième génération.

Particules porteuses de force
Le modèle standard comprend trois types de forces agissant entre particules: forte, faible et électromagnétique. La gravité n'est pas encore intégrée.
Les forces s'exercent entre particules par l'échange de particules spéciales "porteuses de forces" et appelées bosons, qui transportent des quantités discrètes d'énergie d'une particule à l'autre. Chaque force a ses bosons qui lui sont spécifiques: le gluon (force forte), le photon (force électromagnétique), les bosons W et Z (force faible).
Caractéristiques des quarks
Les quarks possèdent une propriété unique dans la nature : leur charge électrique est fractionnaire (e/3 ou 2/3e où e est la charge de l’électron). , aucune expérience n’a pu mettre en évidence, pour l’instant, l’existence de charges fractionnaires. Cela signifie, qu’un quark ne peut exister à l’état isolé. Il est forcément lié à d’autres quarks dans un hadron (particule responsable de l’interaction forte) de façon à ce que la charge électrique totale soit nulle ou égale à un multiple entier de e, il semble impossible d’isoler un quark. Cette propriété est connue sous le nom de confinement des quarks.
Le tableau suivant donne les principales caractéristiques des quarks :

caractéristique	Charge électrique	Masse	Spin
u(up)	2/3	2-8 Mev	1/2
d(down)	-1/3	5-15 Mev	1/2
s(strange)	-1/3	100-300Mev	1/2
c(charm)	2/3	1-1.6 Gev	1/2
b(bottom)	-1/3	4.1-.5 Gev	1/2
t(top)	2/3	170 Gev	1/2

Les quarks ainsi ne donnent que deux familles de particules composites :

• Les baryons (signifie lourds en grec) : sont toujours formés d’un triplet de quarks. Les nucléons (protons et neutrons) sont les baryons les plus courants.
• Les mésons (signifie moyen en grec) : sont des paires de quark et d’anti-quark (antimatière).