Initiation à la physique des particules !
Discipline récente, la physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. Dans son aspect théorique, elle fait appel à des concepts mathématiques très élaborés et dans son aspect expérimental, elle est à la limite des possibilités technologiques du moment !
Pour bien commencer ...
Des monstres pour d'infimes particules
Pour explorer l'infiniment petit, les physiciens ont besoin d'énergies très élevées, fournies par des microscopes monstrueux que sont les accélérateurs de particules (27 km de circonférence pour le Large Electron Positron (LEP) du CERN !!) Pourquoi utiliser des installations aussi grandioses ???
Pour étudier une particule, il faut pouvoir "l'éclairer", c'est-à-dire envoyer sur elle un faisceau de ... particules ! (et pas nécessairement lumineuses). Donc une expérience de physique des particules consistent à envoyer des particules "sonde" sur des particules "cible". Mais pourquoi faire ceci ? Pour le comprendre rappelons deux lois incontournables de physique :
- D'après la dualité onde-corpuscule de Louis de Broglie, à toute particule est associée une onde. Ce qui signifie que les particules se présentent, suivant le contexte de leur observation, tantôt comme des corpuscules, tantôt comme des ondes mais ce ne sont ni des ondes ni des corpuscules. Que sont-elles alors si leur identité est double ? Selon Louis de Broglie la longueur d'onde de l'onde associée à une particule est d'autant plus courte que la particule en question est plus rapide.
- Ensuite, un phénomène ondulatoire n'interagis qu'avec des objets de dimension supérieure à sa longueur d'onde (c'est une loi d'optique). Donc si la particule que nous choisissons pour cible est petite, la particule sonde devra avoir une petite longueur d'onde sinon il n'y a aura pas d'interaction entre les deux particules.
Donc plus les structures que l'on veut étudier sont petites et plus la longueur d'onde des particules sonde qui les frappent doit l'être aussi ; cette longueur d'onde étant d'autant plus petite que l'énergie des particules est élevée, il faut donc disposer d'accélérateurs puissants capables de donner beaucoup d'énergie aux particules sonde.
L'unité d'énergie utilisée par les physiciens des particules est l'électronvolt (eV) et tous ces multiples (keV, MeV, le GeV ...) Un électronvolt correspond à l’énergie nécessaire pour accélérer un électron au repos à 600 km/s ; et 1 eV = 1,6.10^-19 joule. Donc quantitativement, une particule de quelques keV scrute la taille d'un atome (10^-10 m), à 100 MeV elle voit le fermi (10^-15 m soit la taille du proton) et à 100 GeV elle atteint le millième de fermi. Ce dernier cas est celui- du LEP.
Mais à quoi ressemble une particule ?
Contrairement à ce que l'on peut s'imaginer, les particules n'ont pas grand chose à voir avec les petites boules par lesquelles on les représente trop souvent à tord comme sur le dessin ci-contre. Elles sont difficiles à décrire. Le cadre formel au sein duquel on décrit les particules et leurs interactions est la théorie quantique des champs qui dit que les particules ne sont que les différents états d'excitation d'un champ, lequel lui-même n'est pas une "vraie" chose ...
Qu'est-ce qu'un champ quantique ? C'est un objet mathématique inventé pour décrire les particules. Il n'évolue pas dans l'espace ordinaire mais dans des espaces abstraits qui en sont une généralisation.
Une particule n'est pas une chose ordinaire, une particule est une chose impossible à représenter ! D'après le principe quantique d'Heisenberg : plus la réalité se fait minuscule, plus elle devient mouvante, rapide, aucun instrument ne peut en donner une image ; notre sens de la vue est irrémédiablement frustré ! Les particules sont invisibles, nous ne pouvons que voir les traces qu'elles laissent dans certains matériaux.
Que se passe t-il lors d'une collision de particules ?
Lors d'un choc de particules, les particules ne se brisent pas (contrairement à deux verres à notre échelle), le concept de morceaux de particules n'a pas de sens. C'est l'énergie du choc qui finit par se transformer en de nouvelles particules selon l'équation E = mc² qui nous dit que l'énergie E est équivalente à la masse m.
Les différentes particules : le modèle standard
Les vraies particules de matière sont les fermions fondamentaux :
- ceux qui sont insensibles à l'interaction forte sont les leptons : on en connaît six, trois chargés (électron, muon et tau) et trois neutres (les neutrinos).
- ceux qui sont sensibles à l'interaction forte sont les quarks, au nombre de six eux aussi dont les quarks up et down qui constituent les neutrons et protons.
Le modèle standard regroupe, grâce à des arguments de symétrie, ces 12 fermions en 3 familles, contenant chacune 2 leptons, un chargé et un neutre, et 2 quarks. A chacun d'eux il faut ajouter son antiparticule de charge opposée.
Les bosons fondamentaux (photon, gluon, bosons W-, W+ Z) sont des particules qui médiatisent les 4 interactions connues. Ils n'ont pas le même comportement que les particules de matière. Enfin, le boson de Higgs, découvert en 2012-2013, responsable de la brisure de la symétrie électrofaible.
Source : Klein, Etienne. Sous l'atome les particules. [Livre]. Flammarion, 1993. 126 p. ; 18 cm.