La structure fine de la matière

La structure fine de la matière.
La structure atomique de la matière
A. Lavoisier
Elle se fonde sur les 3 lois fondamentales de la
chimie, découvertes à la fin du 18e et au début du
19e siècle :
- la loi de la conservation de la matière
de Michail Lomonossov (1756)
et Antoine Lavoisier (1789) M. Lomonossov
- la loi des proportions constantes de Louis Proust (1799)
- la loi des proportions multiples de John Dalton (1807)
⇒ l’association des atomes en molécules permet
d’expliquer que des millions de substances
différentes peuvent se former à partir d’une
centaine de types d’atomes (éléments). J. Dalton
L. Proust
La structure de l’atome
Elle se fonde sur l’expérience au cours de laquelle Rutherford soumit
une mince feuille en or à un faisceau de rayons α (1909) :
Comme la grande majorité des projectiles α traversent la feuille sans
déviation, alors qu’une faible proportion des projectiles sont fortement
déviées, il faut admettre le modèle lacunaire de l’atome :
L’atome, dont le volume est délimité par le cortège des électrons,
renferme au centre un noyau 100 000 fois plus petit, formé de protons
et de neutrons. E. Rutherford
⇒ les atomes de tous les éléments sont construits à partir des
mêmes trois particules dites « élémentaires », à savoir le
proton, le neutron et l’électron.
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Cette conception simple de la structure de la matière
s’écroule avec les travaux de recherche effectués
avec les accélérateurs de particules. Des faisceaux
de particules accélérées à une énorme vitesse
heurtent de plein fouet une cible : l’énergie cinétique
des particules brutalement freinées est libérée sous
forme d’une avalanche de photons. En vertu de la
relation d’Einstein E = mc2, les photons à énergie
adaptée font naître les particules matérielles qui
correspondent à cette énergie. Souvent la particule
initiale est instable et se décompose en toute une
série d’autres particules. grand anneau à collision du CERN
Bien vite, le catalogue des particules ainsi découvertes s’allongeait. Lors de la matérialisation
à partir d’un photon, il y a formation de paires particule / antiparticule. Les antiparticules ont en
principe les mêmes caractéristiques que leurs particules, mais la charge est contraire.
Tableau simplifié des particules
nom symbole
subdivision masse charge
électron
muon
muon neutrino
électron neutrino
tau neutrino
tau
e -
µ-
τ -
νe
νµ
ντ
0,511
< 7 . 10-6
106
< 0,3
1777
< 30
-1
-1
-1
0
0
leptons
hadrons
mésons
baryons
nucléons
pion
kaon
rho
. . . etc . . .
π +
Κ -
ρ +
140
494
770
-1
+1
+1
proton
neutron
p +
n 0
938,3
939,6
delta ∆ + +
( MeV )
1232 +2
0
+1
sigma Σ + 1189 +1
sigma Σ 0 1192 0
Xi Ξ 0 1315 0
lambda Λ+ 2281 +1
. . . etc . . .
spin
1/ 2
1/ 2
1/ 2
1/ 2
1/ 2
1/ 2
0
0
0
1/ 2
1/ 2
3/ 2
1/ 2
1/ 2
1/ 2
1/ 2
Remarques :
- les leptons (grec : leptos = léger) sont des particules en général de masse très faible. Ils ne
se lient pas fortement dans le noyau, mais subissent des forces de nature
électromagnétique capables de s’exercer sur de grandes distances tout en restant
cependant assez faibles. Les leptons sont soumis à l’interaction électromagnétique :
attraction électrostatique, action d’un champ magnétique sur un courant d’électrons …
- les hadrons (grec : hadros = gros et fort) sont des particules de masse bien plus grande. Ils
sont soumis à des forces beaucoup plus intenses que les leptons, mais ces forces agissent
seulement sur des distances très courtes (typiquement les forces qui se manifestent dans le
noyau). Les hadrons sont soumis à l’interaction forte.
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- les leptons et les baryons (grec : baryos = lourd) ont un spin de valeur semi-entière (1/2) ;
les particules de spin semi-entier sont appelées fermions
- les mésons (grec : mésos = médian, de masse moyenne) ont un spin entier ; les particules
de spin entier sont appelées bosons
La liste complète comporte des centaines de particules et paraît d’une complexité inextricable,
à moins que l’on ne l’interprète sur base d’une théorie nouvelle.
La structure des hadrons
Les leptons paraissent être des particules élémentaires au sens étroit du terme : ils ne
seraient pas constitués de particules plus fines encore. D’ailleurs pour l’électron, le lepton le
mieux connu, on n’a jamais pu déterminer de taille : faut-il admettre qu’il s’agit d’une masse
ponctuelle ?
D’après une théorie révolutionnaire développée à partir de 1961 par le
physicien américain Muray Gell-Man, les hadrons ne seraient pas des
particules élémentaires, mais seraient constitués d’une association de
particules plus fines : les quarks.
Muray Gell-Man, prix Nobel de physique 1969
Au début, on envisageait un système formé de 2 quarks et leurs anti-quarks
respectifs :
quarks anti-quarks
nom symbole charge nom symbole charge
up
down
u
d
anti-up
anti-down
u
_
_
d
+2/3 -2/3
-1/3 +1/3
les charges sont fractionnaires (!)
les spins de tous les quarks et anti-quarks sont semi-entiers (+½ ou – ½)
La théorie explique la subdivision des hadrons en mésons et baryons, ainsi que les
caractéristiques des particules !
* les mésons sont formés d’une association de deux quarks : un quark et un anti-quark
d
u
_
u_
d
méson π+ méson π -
charge : 2/3 + 1/3 = +1 charge : -2/3 - 1/3 = -1
l’association quark / anti-quark explique aussi la valeur entière du spin des mésons :
méson pi méson dzéta
spins opposés spins parallèles
+ 1/2 - 1/2 = 0 +1/2 + 1/2 = +1
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* les baryons sont formés d’une association de trois quarks
” Three quarks for Muster Mark ! James Joyce
Finnegans Wake, Book II, chapter 4
Sure he hasn’t got much of a bark
And sure any he has it’s all besides the mark.”
uu
uddd
proton neutron
charge : +2/3 + 2/3 – 1/3 = +1 charge : +2/3 - 1/3 – 1/3 = 0
nucléon (proton et neutron) particule delta
spin : +1/2 + 1/2 – 1/2 = +1/2 spin : +1/2 + 1/2 + 1/2 = +3/2
Belle construction de l’esprit, certes ! Mais y a-t-il des arguments expérimentaux en faveur de
cette structure des hadrons ?
proton
faisceau
d'électrons
Dans une expérience comparable à celle où
Rutherford bombarda les atomes d’une feuille
en or avec des particules α pour mettre en
évidence le noyau atomique, on a soumis des
protons à un faisceau d’électrons très
énergiques produit dans un accélérateur
d’électrons.
Certains électrons traversent le proton presque en ligne droite ; d’autres sont fortement
déviés : ils ont ricoché sur un quark. L’exploitation quantitative des déviations permet de
confirmer les charges fractionnaires des quarks.
Afin de pouvoir expliquer l’existence des hadrons plus lourds que les nucléons, il a fallu
introduire un troisième quark, de même charge que le quark down, mais d’une masse
supérieure : le quark strange (étrange) s et son anti-quark s.
quark anti-quark
nom symbole charge nom symbole charge
strange santi-strange s
_
-1/3 +1//3
Le quark strange intervient dans les:
* baryons du type « hypéron » ; exemple : Sigma Σ+ uus charge : +2/3 +2/3 –1/3 = +1
Σ0 uds charge : +2/3 -1/3 –1/3 = 0
Σ- dds charge : -1/3 -1/3 –1/3 = -1
autres hypérons : Xi ( Ξ0 uss ; Ξ - dss ) , Lambda ( Λ0 uds ) , Omega ( Ω - sss )
* mésons du type « kaon » : Κ+ us charge : +2/3 + 1/3 = +1
Κ0 ds charge : -1/3 + 1/3 = 0
Κ- su charge : -1/3 – 2/3 = -1
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Jusqu’à nos jours, on a réussi à mettre en évidence un total de 6 quarks. Il y a de bonnes
raisons pour admettre qu’il n’en existe pas plus. Les noms des quarks sont appelés
« flavours » (parfums).
Les 6 quarks sont regroupés en 3 paires (générations), chaque paire comporte un quark de
charge +2/3 et un quark de charge –1/3.
A chaque quark correspond évidemment un anti-quark de même masse, mais de charge
opposée.
1re génération
flavour symbole masse (MeV) charge
up
down
u
d
5
8
+ 2/3
- 1/3
2me génération charm
strange
c
s
1 500
160
+ 2/3
- 1/3
3me génération top
bottom
t
b
176 000
4 250
+ 2/3
- 1/3
Ainsi présentés, les quarks offrent une symétrie parfaite avec les leptons, au nombre de 6
également, regroupés en 3 paires, chaque paire comportant une particule chargée et une
autre neutre. Pour les leptons aussi bien que pour les quarks, seule la première génération
intervient dans la structuration de la matière à basse énergie, donc comme constituants des
atomes.
Les couleurs des quarks
Dans la théorie des quarks telle qu’elle a été exposée jusqu’à présent subsistent 3 grands
problèmes :
1) on n’a jamais réussi à identifier des quarks isolés : POURQUOI ?
2) on a seulement identifié les association quark / antiquark ( mésons q q )
et quark / quark / quark (baryons q q q ).
Une association ( q q ) ou ( q q q q ) devrait pourtant sauter aux yeux, car sa charge ne
serait pas entière : jamais des particules à charge fractionnaire n’ont été isolées.
3) Toutes les particules avec des spins semi-entiers sont appelées
fermions. Les quarks sont donc des fermions. Or aux fermions
s’applique le principe d’exclusion de Pauli qui dit que des
particules (fermions) réunies en une région restreinte de
l’espace doivent différer au moins par un nombre quantique.
Pourtant les baryons ∆2+ et Ω - existent !
∆2+ : u u u
Ω - : s s s
On se tire d’affaire en introduisant un nouveau nombre quantique : COLOR, la couleur !
Il est évident que la couleur en tant que nombre quantique de quark n’a rien à
voir avec la signification que nous attribuons au mot « couleur » dans la vie
courante, à l’exception toutefois du fait que l’ensemble des trois couleurs rouge,
vert et bleu donne le blanc.
Dès lors le principe de quantification développé pour les associations de quarks
d’énonce ainsi:
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Les quarks colorés doivent être associés de manière telle que l’ensemble soit incolore
ou blanc !