La Matière - Futura
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Dossier>LaMatière Futura-Sciences 07/07/2001-Par AurélienFortin-AntoineDemil LaMatière Ce TIPE est une introduction à la physique des particules : particules subatomiques (bosons vecteurs, quarksetleptons),problèmesactuelsetmassedesneutrinos. Page1/3-LaMatière La physique des particules est sans doute la branche de la physique qui attire le plus de chercheurs de nos jours tant les découvertes effectuées sont importantes et permettent enfin d'expliquer des énigmes jusqu'alors irrésolues.Cettequêtedenouvellesréponsesacommencéverslafindu19esièclelorsqu'onadécouvertqueles atomes (mot d'origine grecquesignifiantinsécable) étaient justement composés de plusieurs éléments plus petits. On a ensuite montré que certains constituants des atomes eux-mêmes (c'est-à-dire les protons et les neutrons) étaientdivisibles.Cesdécouvertesontamenéàlacréationd'unnouveaudomainedelaphysique:laphysique quantique. Grâce aux résultats apportés par celle-ci on a pu découvrir de nouvelles particules subatomiques et mêmedégagerdesanalogiesentrecesdifférentesparticules.Onestalorsparvenuàunecertaineclassification de cesparticulesquenousallonsétudierici. Page2/3-Premièrepartie:Lesdifférentesparticulessubatomiques I-LesBosonsVecteurs Les bosons vecteurs sont comme leur nom l'indique lesvecteurs d'interactions entre les particules. Il y a 4 interactions dans le monde de la physique des particules et les théories actuelles prévoient quetoutes s'exprimentparlesbosons.Onretrouveci-dessousletableaudesdifférentsbosons: Nom Masse(GeV) Q(Charge) Spin gamma(photon) 0 0 1 Z0 91.19 0 1 W+ 80.33 1 1 W- 80.33 -1 1 g(graviton) 0 0 2 -L'InteractionForte LePremiertypedebosonestlevecteurdel'interactionforte:legluon.L'interactionforteagitsurlesconstituants des nucléons (protons ou neutrons): les quarks et les anti-quarks. Elle s'explique par lachromodynamique quantique (QCD). Lesquarks et les anti-quarks sont caractérisés par unechargedecouleur. Le gluon est en fait émis depuis un quark emportant avec lui la charge de couleur de celui-ci. Il transmet alors celle-ci au quark cible emportant en échange l'ancienne charge avec lui. Le gluon permet doncd'échanger la couleur de deux quarks. Il existe8 gluons différents, chacun porteur d'unecouleur et d'une anti-couleur (on a ainsi un gluon rougeetanti-rouge,vertetanti-vert,bleuetanti-bleu,maisaussibleuetanti-rougeetc...).Ilssontdemasse nulleetn'ontjamaisétédétectés. Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page1/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences -LaGravitation Elleagitsurtouslesconstituantssuivantleurénergieetleurmasse.Elleesttoujoursprésentemaisnégligeable au niveau des particules (10^-39 fois plus faible que force électrostatique (voir pour exemple le calcul sur l'électron document (4)). Lathéorie de la gravitation d'Einstein en relativité générale prévoit l'existenced'ondes gravitationnelles qui n'ont pas encore été détectées. On suppose l'existence de son quantum, legraviton. Il aurait été observé dans le ralentissement de la rotation d'un pulsar. Sa masseseraitnulle,etsonspinde2. Mais,laliaisonentregravitationetphysiquedesparticulesn'estpasencoredéfinitivementacquise. -L'Interactionélectromagnétique Le boson vecteur de l'interaction électromagnétique estle photon. Cette interactionagit sur la charge des particulesetestresponsabledelastructureatomiquecarellelieentreeuxlesconstituantsdel'atome:elleest al'originedesliaisonsentrelenoyauetlesélectrons. Le photon a unemassenulle : il ne peut donc se désintégrerenparticulespluslégèresetestdonccomplètementstable.Sonspinestde1.Onpeutl'observerdans lerayonnementélectromagnétiqueémislorsdel'annihilationd'unélectronetd'unpositon:(e+)+(e-)->q+`q+ g. Dans cette réaction, les électrons qui disparaissent et les quarks qui apparaissent subitement donnent lieu à unevariationbrusqueducourantélectrique qui engendre un champ électromagnétique pouvant se manifester par l'apparition d'un ou plusieurs photons. On peut d'ailleurs noter qu'un mécanisme du même type donne lieu à l'émissiondegluons:.(e+)+(e-)->q+`q+g,legluonétantlequantumduchampdecouleur. -L'Interactionfaible Toutes les Particules de matière , quarks, hadrons et leptons, quelque soit leur charge électromagnétique, subissent l'interaction faible. Celle-cichangelasaveur (c'est d'ailleurs la seule interaction qui le permet) etla chargeélectromagnétique,maisignorelachargedecouleurdesquarks.Parexemple,sousl'effet de celleci,unélectrondevientunneutrino,tandisqu'unquarkudeviendraunquarkd.Ilya3bosonsvecteurs:W+,WetZdontl'existencefutpostuléeparGlashowen1961etobservéepourla1èrefoisauCernen1982-1983.Ces3 bosonsontunspinde1etunemassetrèsélevée: MW+=Mw-=80.3GeVMz=91.2GeV Et c'est à cause de la masse élevée de ses bosons vecteurs que laportée de l'interaction faible est très limitée. L'explication de cette relation masse des bosons / portée de l'interaction provient de l'origine même du boson. Celui-ci est issu d'un phénomène de "fluctuationsquantiquesduvide". En effet : le vide est l'état d'énergie le plusbas,ilest"cequirestequandonatoutenlevé",etestdoncentièrementcomposéd'énergie.Unedeses propriétés fondamentales réside dans sa faculté à" prêter " de l'énergie, pour permettre la création d'une paire particule/antiparticule ou d'un boson vecteur : ce sont les " fluctuations quantiques " . Ceci permet ainsi notamment la possibilité de voir apparaître un champ dans le vide dont la valeur moyenne est nulle. Mais, cette propriété de " nullité moyenne " peut ne pas être respectée par tous les champs, et, sidans la théorie électrofaible,lesbosonsvecteursontunemassenulle, la présence du champ de Higgs dans le vide, dont la valeur moyenne n'est pas nulle, leurconfère une grande masse. Cependant, l'acquisition d'une masse par ce bosonviole la relation de conservation de l'énergie du vide. Or, d'après le principe d'incertitude d'HeisenBerg, la relationtempsdeviolation/énergieestalors:DE.Dt=hrD'ouonendéduitlaportéedel'interactionfaiblequiest del'ordrede10^-38m. Achaqueforceestdoncassociéeson(ouses)boson(s),vecteurdecetteinteraction.Ilestcependantà noterquel'onsoupçonnefortementl'existenced'unautretypedeBoson,lebosondeHiggs,àlamasse très élevée et qui générerait le champ de Higgs déjà cité, ce qui porterait à 5 le nombre de famille de cettecatégorie. LaDeuxièmeCatégoriedeparticulessubatomiquesestcellequeconstituel'ensembledesquarks Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page2/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences II-LesQuarks Constituant fondamental de la matière,son existence fut proposée en 1966, le premier quark étant observé expérimentalementen1975.Onconnaîtactuellement6typesdequarksdontledernierfutdécouverten1997. Onretrouvecicontreletableaudesdifférentsquarks: Nom Masse(GeV) Q(Charge) Spin (S,C,B,T) u(up) 8 2/3 ½ (0,0,0,0) d(down) 15 -1/3 ½ (0,0,0,0) s(strange) 300 -1/3 ½ (-1,0,0,0) c(charm) 1600 2/3 ½ (0,1,0,0) b(bottom) 4500 -1/3 ½ (0,0,-1,0) t(top) 175000 2/3 ½ (0,0,0,1) AvecS:Etrangeté,C:leCharme,B:bottom,T:Toplessaveursdesquarks Les quarks se caractérisent essentiellement par leurmasse, leur charge fractionnaire - celle-ci ne pouvant prendre que 2 valeurs : 2/3 e ou -1/3 e (e=charge de l'électron) - , et leur parfum, permettant une division en 6 familles:up,down,bottom.. Les combinaisons des éléments de ces 6 divisions formentla plus vaste famille de particules élémentaires :les hadrons.Cettefamillesedécomposeen2classesdeparticules: - les baryons : ils sont formés d'unsystème de 3 quarks tenu par l'interaction forte. Leurcharge est entière, variantde-1à2. -lesmésons:Ilssontformésd'unsystèmequark/anti-quarkeninteractionforte,decharge-1,0ou1. Onpeutretrouvercidessousletableaudesprincipauxhadrons: Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page3/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences Une autre propriété des quarks est la suivante :on ne peut trouver un quark seul. Cette propriété très particulière est appelée" confinement des quarks dans les hadrons ". Elle s'explique par le fait qu'il faudrait théoriquementuneforceinfiniepourbriserleliencréeparl'interactionforte(doncparlesgluons). En effet, si, à petite distance (petite devant 10^-15m), le potentiel de la force est en 1/r (c'est unpotentiel dit Coulombien), à plus grande distance, il est en O(r). Ainsi, le potentiel, c'est à dire l'énergie que devrait fournir un opérateurfictifpouramenerlequarkenunpoint,tendversl'infiniquandonchercheàamenerlequarkenl'infini. Il est cependant à noter que ce modèle des quarks n'est pas toujours accepté comme une subdivision ultimedelamatière.Ainsi,certainsscientifiquesémettent-ilsparexemplel'hypothèsed'unesubdivision desquarksen3élémentsdecharge+/-1/6,cettehypothèsepermettantdegarderintactestoutesles propriétésdesquarks,leurindivisibilitémiseàpart.Mais,austadeounousensommes,ilfautsavoirque toutes ces hypothèses sont invérifiables (il n'est même pas possible d'isoler un quark..), les éléments misenjeuétantbienentenduparfaitementinobservables.. La troisième, et dernière famille de particules subatomiques est celle constituée par la famille de l'électron, les leptons. III-LesLeptons 3ème type de particules fondamentales, les leptons ne sont soumisqu'aux interactions faibles, subissant l'interaction électromagnétique faibleseulement s'ils sont chargés. Le représentant le plus connu de cette famille est sans doutel'électron. Il existe en fait 3 types de leptons : lesleptonsélectroniques (électron) , les leptonsmuoniques(lemuon),etleleptontau.Achacund'entreeuxcorrespondunneutrino,demassequasinulleetdechargeneutre. Onpeutlesretrouversurletableauci-contre: Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page4/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences Nom Masse(GeV) Q(Charge) Spin (Le,Lm,Lt) electron 0.511 -1 ½ (1,0,0) neutrinoelectr. 0? 0 ½ (1,0,0) muon 105.66 -1 ½ (0,1,0) neutrinomuoniq. ? 0 ½ (0,1,0) tau 1777 -1 ½ (0,0,1) neutrinotauiq. ? 0 ½ (0,0,1) Onpeutainsiremarquerqu'iln'existeque2typesdecharges:0ou-1,etquelesleptonsontlemêmespinque lesquarks. Une autre propriété des leptons est la conservation du nombre leptonique par toutes les interactions. Il existe 3 nombresdecetype:électronique,tauique,muonique,définicommesuit: Ne=Ne¯+N(neutrinoelectr.)+N(positon)+N(antineutrinoelc.) Demêmepourlesautresnombres… Mais, ce modèle des particules, appelé, modèle Standard, n'est ni fini, ni totalement défini. Ainsi, des incertitudessubsistentencoresurpasmaldepoint.Undesproblèmesmajeursactuellementestainsila déterminationdelamassedesneutrinos,cesparticulesquipourraientconstituerunepartiedelamasse cachéedel'universetnousdonnerainsidesinformationsplusprécisesquandàsondevenir. Page3/3-Deuxièmepartie-Lesproblèmesactuels:lamassedesneutrinos Ladécouvertedesneutrinosaainsiétéréaliséeàlasuitedel'étudedeladésintégrationduproton:n->p+ e(-). Danslecasd'unedésintégrationen2corpsdutypea->b1+b2,avecVa=0,leséquationsdelarelativiténous permettentd'établirlavitesse,l'énergie,etl'impulsiondesproduits. Eneffet,enécrivantlaconservationdel'énergieetdelaquantitédemvt: p1+p2=0 E1+E2=ma.c² etavecE=m²c+p²c²onobtiendra c².(m1²+ma²-m2²) E1 = -----------------------------2.ma c².(m2²+ma²-m1²) E2 = -----------------------------2.ma On obtenait ainsi, dans la désintégration proposée, uneénergiede0,8MeV pour l'électron, non conforme avec lesmesuresexpérimentales.C'estainsiqu'onaintroduitleneutrino,laréactionréelleétantlasuivante:n->p+ e(-)+antineutrino.elec(désintégrationbétaduneutron). Depuis la fin des années 70 a ainsi, grâce à l'étude de cette réaction , été possible la mise au point d'une Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page5/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences méthodedecalculdemasse. Danscettedésintégration,onmesureavecunspectromètremagnétiquel'impulsionoul'énergiedesélectronsqui s'échappent. Cette énergie présente l'allure d'un spectre continu qui va de zéro à une valeur maximale égale à la différenced'énergieentrel'atomepèreetl'atomefils.Etc'estlàqu'intervientleneutrino:s'ilaunemasse,même si son impulsion est nulle au sortir de la désintégration ,il faudra soustraire la valeur de cette masse à l'énergie maximalepossibledel'électron.L'existencedesneutrinosad'ailleursétépostuléeparPaulipourqueleprincipede conservationdel'énergiesoitvérifiélorsdecettedésintégration. ->Ilyauradoncunelégèremodificationduspectredel'électron. En 1936, le physicien américainFrank Kurie propose une représentation graphique simple du spectre de l'électron. Celle-ciestenfaitobtenueentraçantlaracinecarréedunombred'événementsdiviséparlecarrédel'impulsion, enfonctiondel'énergiedel'électron.C'estcettereprésentationquel'onretrouvesurledocumentsuivant: Ainsi,sileneutrinoaunemasse,sifaiblesoit-elle,ladroites'incurveralégèrementetintercepteral'axeunpeu avantlavaleurmaximalepossible. La différence entre ces 2 valeursreprésentera alors simplement la masse du neutrino. Cependant, cette belle méthodethéoriqueserévèleparfoisdélicateàmettreenœuvre,pour2raisonsmajeurestrèssimples: *Toutd'abord,lepointoùladroiteinterceptel'axecorrespondàunnombred'évènementstrèsfaibles:l'appareil devradoncfonctionnersuffisammentlongtemps,aurisquededérivessystématiques. *Lasecondeestquelaprécisiondesmesuresdoitévidemmentêtremeilleurequelamassedesneutrinos..Or,le meilleurspectromètreaseslimites. Grâce à cette méthode, on n'obtient donc à l'heure actuelle qu'unemajorationdelamassedesneutrinos. On obtientainsi: M(ue)<10eV. Demême,onpeutmajorerlamassedes2autrestypesdeneutrinos:M(um)<250keVM(ut)<35MeV Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page6/7 Dossier>LaMatière Futura-Sciences CONCLUSION LemodèleStandardactuelprévoitdoncl'existencede25particulessubatomiques(voirdocument16),auxquellesil faudrapeutêtrebientôtajoutél'hypothétiquebosondeHiggs, quantum duchampdeHiggs qui donne la masse des particules, et dont la découverte, sans cesse annoncée comme imminente, garantira le prix Nobel à son découvreur.Cependant,cemodèleestloind'êtreun modèlefinietachevé.Sionadéjàsoulevéleproblèmede la divisibilité des quarks, d'autres interrogations apparaissent également dès que l'on s'attache à comparer les particulesentreelles,laissantprésagerunchangementprofonddanslemondedelaphysiquedesparticules.Ainsi, le parallèle facile à établir entre quarks et leptons a-t'il permis de supposer que ceux-ci ne seraient qu'une même famille de particules super-symétriques , où leptons et quarks, alors appeléss-leptons et s-quarks (s pour supersymétriques)neseraientque2représentationsd'unemêmeparticule.Audelàdecetteidéedeparticulessupersymétriquessecacheainsil'adversaireleplusenvoguedumodèleStandard:la(les:ilyenaplusieursversions) théorie (s) des cordes, annoncée comme le moyen d'unifier et de concilier les 2 grandes théories du 20ème siècle, à savoirrelativité générale et la mécanique quantique. La plus prometteuse d'entre elle prévoit ainsi que notreuniversseraitenréalitécomposéde11dimensions,dont7enrouléessurellesmême,etpermetdedécrire l'ensemble des particules élémentaires uniquement grâce à l'intervention desuper-cordes vibrantes, de taille 10^-33cm,etdontlesdifférentsmodesdevibrationdonneraitl'ensembledesparticulesdumodèleStandard. Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-matiere-5/ Page7/7
