La Matière - Futura

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LaMatière
CeTIPE est uneintroductionàla physiquedes particules:particules subatomiques(bosons vecteurs,
quarksetleptons),problèmesactuelsetmassedesneutrinos.
Page1/3-LaMatière
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.Cettequêtedenouvellesréponsesacommencéverslafindu19esièclelorsqu'onadécouvertqueles
atomes(motd'originegrecquesignifiantinsécable)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)
étaientdivisibles.Cesdécouvertesontamenéàlacréationd'unnouveaudomainedelaphysique:laphysique
quantique. Grâce aux résultats apportés par celle-ci on a pu découvrir de nouvelles particules subatomiques et
mêmedégagerdesanalogiesentrecesdifférentesparticules.Onestalorsparvenuàunecertaineclassificationde
cesparticulesquenousallonsétudierici.
Page2/3-Premièrepartie:Lesdifférentesparticulessubatomiques
I-LesBosonsVecteurs
Les bosons vecteurs sont comme leur nom l'indique lesvecteursd'interactionsentrelesparticules. Il y a 4
interactions dans le monde de la physique des particules et les théories actuelles prévoient quetoutes
s'exprimentparlesbosons.Onretrouveci-dessousletableaudesdifférentsbosons:
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'InteractionForte
LePremiertypedebosonestlevecteurdel'interactionforte:legluon.L'interactionforteagitsurlesconstituants
des nucléons (protons ou neutrons): les quarks et les anti-quarks. Elle s'explique par lachromodynamique
quantique (QCD). Lesquarkset lesanti-quarks sont caractérisés par unechargedecouleur. Le gluon est en
fait émis depuis un quark emportant avec lui la c harge de c ouleur de c elui-ci. Il transmet alors c elle-c i au quark
cible emportant en échange l'ancienne charge avec lui. Le gluon permet doncd'échangerla couleurde deux
quarks. Il existe8gluonsdifférents, chacun porteur d'unecouleur et d'une anti-couleur (on a ainsi un gluon
rougeetanti-rouge,vertetanti-vert,bleuetanti-bleu,maisaussibleuetanti-rougeetc...).Ilssontdemasse
nulleetn'ontjamaisétédétectés.
07/07/2001-Par
AurélienFortin-AntoineDemil

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-LaGravitation
Elleagitsurtouslesconstituantssuivantleurénergieetleurmasse.Elleesttoujoursprésentemaisnégligeableau
niveaudesparticules (10^-39foisplus faible que forceélectrostatique (voirpourexemplelecalculsurl'électron
document (4)). Lathéorie de la gravitation d'Einstein en relativité générale prévoit l'existenced'ondes
gravitationnelles qui n'ont pas encore été détectées. On suppose l'existence de son quantum, legraviton. Il
aurait été observé dans le ralentissement de la rotation d'un pulsar. Sa masseseraitnulle,etsonspinde2.
Mais,laliaisonentregravitationetphysiquedesparticulesn'estpasencoredéfinitivementacquise.
-L'Interactionélectromagnétique
Le boson vecteur de l'interaction électromagnétique estle photon. Cette interactionagit sur la charge des
particulesetestresponsabledelastructureatomiquecarellelieentreeuxlesconstituantsdel'atome:elleest
al'originedesliaisonsentrelenoyauetlesélectrons. Le photon a unemassenulle : il ne peut donc se
désintégrerenparticulespluslégèresetestdonccomplètementstable.Sonspinestde1.Onpeutl'observerdans
lerayonnementélectromagnétiqueémislorsdel'annihilationd'unélectronetd'unpositon:(e+)+(e-)->q+`q+
g. Dans cette réaction, les électrons qui disparaissent et les quarks qui apparaissent subitement donnent lieu à
unevariationbrusqueducourantélectrique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'émissiondegluons:.(e+)+(e-)->q+`q+g,legluonétantlequantumduchampdecouleur.
-L'Interactionfaible
Toutes les Particules de matière, quarks, hadrons et leptons, quelque soit leur charge électromagnétique,
subissent l'interaction faible. Celle-cichangelasaveur (c'est d'ailleurs la seule interaction qui le permet) etla
chargeélectromagnétique,maisignorelachargedecouleurdesquarks.Parexemple,sousl'effetdecelle-
ci,unélectrondevientunneutrino,tandisqu'unquarkudeviendraunquarkd.Ilya3bosonsvecteurs:W+,W-
etZdontl'existencefutpostuléeparGlashowen1961etobservéepourla1èrefoisauCernen1982-1983.Ces3
bosonsontunspinde1etunemassetrèsélevée:
MW+=Mw-=80.3GeVMz=91.2GeV
Etc'estàcausedela masseélevéede ses bosonsvecteursque laportée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"fluctuationsquantiquesduvide". Eneffet:levideestl'étatd'énergiele
plusbas,ilest"cequirestequandonatoutenlevé",etestdoncentièrementcomposéd'énergie.Unedeses
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, sidans la théorie
électrofaible,lesbosonsvecteursontunemassenulle,laprésenceduchampdeHiggsdanslevide,dontla
valeur moyenne n'est pas nulle, leurconfère unegrandemasse. Cependant, l'acquisition d'une masse par ce
bosonviole la relation de conservation de l'énergie du vide. Or, d'après le principe d'incertitude d'HeisenBerg, la
relationtempsdeviolation/énergieestalors:DE.Dt=hrD'ouonendéduitlaportéedel'interactionfaiblequiest
del'ordrede10^-38m.
Achaqueforceestdoncassociéeson(ouses)boson(s),vecteurdecetteinteraction.Ilestcependantà
noterquel'onsoupçonnefortementl'existenced'unautretypedeBoson,lebosondeHiggs,àlamasse
trèsélevée etquigénéreraitle champdeHiggsdéjà cité,cequiporteraità5lenombredefamillede
cettecatégorie.
LaDeuxièmeCatégoriedeparticulessubatomiquesestcellequeconstituel'ensembledesquarks

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II-LesQuarks
Constituant fondamental de la matière,sonexistencefutproposéeen1966, le premier quark étant observé
expérimentalementen1975.Onconnaîtactuellement6typesdequarksdontledernierfutdécouverten1997.
Onretrouvecicontreletableaudesdifférentsquarks:
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) 175000 2/3 ½ (0,0,0,1)
AvecS:Etrangeté,C:leCharme,B:bottom,T:Toplessaveursdesquarks
Les quarks se caractérisent essentiellement par leurmasse, 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 formentla plus vaste famille de particules élémentaires :les
hadrons.Cettefamillesedécomposeen2classesdeparticules:
- les baryons : ils sont formés d'unsystème de 3 quarks tenu par l'interaction forte. Leurchargeestentière,
variantde-1à2.
-lesmésons:Ilssontformésd'unsystèmequark/anti-quarkeninteractionforte,decharge-1,0ou1.
Onpeutretrouvercidessousletableaudesprincipauxhadrons:

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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
théoriquementuneforceinfiniepourbriserleliencréeparl'interactionforte(doncparlesgluons).
Eneffet,si,àpetitedistance(petitedevant10^-15m),lepotentieldelaforceesten1/r(c'estunpotentieldit
Coulombien),àplusgrandedistance,ilestenO(r).Ainsi,lepotentiel,c'estàdirel'énergiequedevraitfournirun
opérateurfictifpouramenerlequarkenunpoint,tendversl'infiniquandonchercheàamenerlequarkenl'infini.
Ilestcependantànoterque cemodèledesquarksn'estpastoujoursacceptécommeunesubdivision
ultimedelamatière.Ainsi,certainsscientifiquesémettent-ilsparexemplel'hypothèsed'unesubdivision
desquarksen3élémentsdecharge+/-1/6,cettehypothèsepermettantdegarderintactestoutesles
propriétésdesquarks,leurindivisibilitémiseàpart.Mais,austadeounousensommes,ilfautsavoirque
toutes ceshypothèsessontinvérifiables(iln'estmêmepaspossibled'isolerunquark..),leséléments
misenjeuétantbienentenduparfaitementinobservables..
La troisième, et dernière famille de particules subatomiques est celle constituée par la famille de l'électron, les
leptons.
III-LesLeptons
3ème type de particules fondamentales, les leptons ne sont soumisqu'aux interactions faibles, subissant
l'interaction électromagnétique faibleseulement s'ils sont chargés. Le représentant le plus connu de cette
familleestsansdoutel'électron. Ilexiste enfait3types de leptons:lesleptonsélectroniques(électron),les
leptonsmuoniques(lemuon),etleleptontau.Achacund'entreeuxcorrespondunneutrino,demassequasi-
nulleetdechargeneutre.
Onpeutlesretrouversurletableauci-contre:

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Nom Masse(GeV) Q(Charge) Spin (Le,Lm,Lt)
electron 0.511 -1 ½ (1,0,0)
neutrinoelectr. 0? 0 ½ (1,0,0)
muon 105.66 -1 ½ (0,1,0)
neutrinomuoniq. ? 0 ½ (0,1,0)
tau 1777 -1 ½ (0,0,1)
neutrinotauiq. ? 0 ½ (0,0,1)
Onpeutainsiremarquerqu'iln'existeque2typesdecharges:0ou-1,etquelesleptonsontlemêmespinque
lesquarks.
Une autre propriété des leptons est la conservation du nombre leptonique par toutes les interactions. Il existe 3
nombresdecetype:électronique,tauique,muonique,définicommesuit:
Ne=Ne¯+N(neutrinoelectr.)+N(positon)+N(antineutrinoelc.)
Demêmepourlesautresnombres…
Mais, ce modèle des particules, appelé, modèle Standard, n'est ni fini, ni totalement défini. Ainsi, des
incertitudessubsistentencoresurpasmaldepoint.Undesproblèmesmajeursactuellementestainsila
déterminationdelamassedesneutrinos,cesparticulesquipourraientconstituerunepartiedelamasse
cachéedel'universetnousdonnerainsidesinformationsplusprécisesquandàsondevenir.
Page3/3-Deuxièmepartie-Lesproblèmesactuels:lamassedesneutrinos
Ladécouvertedesneutrinosaainsiétéréaliséeàlasuitedel'étudedeladésintégrationduproton:n->p+
e(-).
Danslecasd'unedésintégrationen2corpsdutypea->b1+b2,avecVa=0,leséquationsdelarelativiténous
permettentd'établirlavitesse,l'énergie,etl'impulsiondesproduits.
Eneffet,enécrivantlaconservationdel'énergieetdelaquantitédemvt:
p1+p2=0
E1+E2=ma.c²
etavecE=m²c+p²c²onobtiendra
c².(m1²+ma²-m2²)
E1 = ------------------------------
2.ma
c².(m2²+ma²-m1²)
E2 = ------------------------------
2.ma
On obtenait ainsi, dans la désintégration proposée, uneénergiede0,8MeV pour l'électron, non conforme avec
lesmesuresexpérimentales.C'estainsiqu'onaintroduitleneutrino,laréactionréelleétantlasuivante:n->p+
e(-)+antineutrino.elec(désintégrationbétaduneutron).
Depuis la fin des années 70 a ainsi, grâce à l'étude de cette réaction , été possible la mise au point d'une