La matière, comment c`est fait? - Faculté des sciences et de génie

La physique des particules 1
L
La a m ma at ti iè èr re e, , c co om mm me en nt t c c’ ’e es st t f fa ai it t? ?
L
La a p ph hy ys si iq qu ue e d de es s p pa ar rt ti ic cu ul le es s
La physique des particules a réellement vu le jour au début du 20e siècle avec les découvertes de
l’électron, du proton et du neutron. La physique qui s’appuyait jusqu’alors sur un modèle d’atome
indivisible a connu un profond bouleversement. La matière était désormais constituée de ces trois
particules élémentaires. Il en fut de même jusqu’en 1964, lorsque Gell-Mann et Zweig proposèrent
l’existence de particules, appelées quarks, qui formaient les nucléons. On connaît de nos jours de
nombreuses particules élémentaires, plus ou moins stables, qui peuvent décrire tous les états connus de
la matière.
Les interactions fondamentales
L’étude des particules élémentaires ne peut pas se faire sans prendre en compte les forces auxquelles
elles sont soumises. On reconnaît aujourd’hui quatre interactions dites fondamentales qui jouent
chacune un rôle bien particulier dans notre univers. Il s’agit des interactions gravitationnelle,
électromagnétique, forte et faible. On considère généralement que chacune de ces interactions est
véhiculée par des particules virtuelles, aussi appelées quanta de champ. Ainsi, quand deux électrons se
rapprochent, ils échangent des photons virtuels et se repoussent. Cette interaction peut être illustrée
par le diagramme de Feynmann de la figure 1.
Figure 1 Diagramme de Feynmann illustrant l’interaction de deux électrons
De plus, si le quantum de champ n’est pas capté au cours d’un certain laps de temps, il peut devenir
une particule réelle. C’est pourquoi chaque interaction fondamentale a son propre rayon d’action, qui
est défini d’après la masse du quantum de champ qui y est associée.
mc
h
P≈ (1)
e-
e-
e-
e-
γ
tem
p
s

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où P est la portée de l’interaction, m, la masse de son quantum de champ, h, la constante de Planck1,
et c, la vitesse de la lumière. Ainsi, chacune d’elles a un rôle plus ou moins important à jouer selon
l’ordre de grandeur qu’on considère.
Tableau 1 Les interactions fondamentales et leurs quanta de champ
Interaction Quanta de champ (nombre)
Symbole des
quanta
Portée
(m)
Force
relative
gravitationnelle gravitons2 (10) G infinie 10-38
électromagnétique photon (1) γ infinie 10-2
forte gluons (8) g ~10-15 1
faible bosons intermédiaires (3) W+, W-, Z0 ~0,2 x 10-17 10-13
On voit donc que les interactions forte et faible ne peuvent agir que sur des distances correspondant
respectivement au diamètre du noyau atomique et à la séparation entre les nucléons dans le noyau. De
plus, on observe peu d'interactions électromagnétiques à très grandes distances bien que leur portée
théorique soit infinie. Cela est simplement dû à la présence d’un très grand nombre de charges qui
peuvent « neutraliser » le champ d’action d’une particule chargée.
Aussi, chacune de ces interactions a son rôle à jouer dans l’univers. L’interaction gravitationnelle agit
sur tout ce qui possède une masse et n’est perceptible qu’à grande échelle. Les masses étant faibles au
niveau microscopique, les trois autres interactions dominent facilement. L’interaction
électromagnétique agit, pour sa part, sur toute particule qui porte une charge électrique. L’interaction
forte, aussi appelée nucléaire, agit au sein du noyau atomique. C’est à cette force que l’on doit la
cohérence des protons à l’intérieur du noyau. Enfin, l’interaction faible agit à un niveau encore plus
petit, à l’intérieur même des nucléons et des autres particules formées de quarks. C’est d’ailleurs cette
interaction qui est responsable de la désintégration bêta du neutron (voir figure 2).
1 h = 6,6261 × 10-34 J•s
2 Les gravitons n’ont encore jamais été observés à ce jour, leur existence est toujours purement théorique.

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Figure 2 Désintégration β
Lors de sa désintégration, le neutron émet un boson intermédiaire W- en
se transformant en proton. Le boson va ensuite se désintégrer pour
former un électron et un antineutrino électronique.
Classification des particules
Depuis toujours, les scientifiques tentent de classifier les objets de leurs études et de leurs
découvertes. La physique des particules n’y échappe pas. Chaque particule est classifiée selon la valeur
de ses nombres quantiques intrinsèques et des interactions auxquelles elle est soumise.
Matière/Antimatière
La matière est composée des particules qui forment la très grande majorité de l’univers dans lequel
nous vivons. L’antimatière est pour sa part formée des antiparticules correspondant à ces particules.
L’antimatière possède les mêmes propriétés physiques que la matière. Les antiparticules qui la
constituent sont définies selon les mêmes propriétés que les particules. Toute particule est définie par
ses nombres quantiques intrinsèques et l’antiparticule correspondante porte, quant à elle, des nombres
quantiques intrinsèques opposés. Ainsi, un anti-électron, aussi appelé positron ou positon, a la même
masse que l’électron, mais porte entre autres une charge opposée. En fait, tous ses nombres quantiques
intrinsèques sont de valeur opposée. On sait maintenant que chaque particule a son antiparticule
correspondante, bien que certaines, comme le photon, soient leur propre antiparticule.
L’existence de l’antimatière a d’abord été postulée par Paul Dirac en 1928 alors qu’il essayait d’intégrer
la relativité générale à la mécanique quantique. Sa théorie impliquait que les électrons libres pouvaient
avoir une énergie aussi bien négative que positive. Cet état d’énergie négative correspond au positron.
Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, il y a annihilation de celles-ci et création
d’énergie sous forme de photons gamma. L’énergie totale que portent ces photons doit être égale à
n
p
W-
e-
ν
e

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l’énergie totale de la particule et de l’antiparticule, y compris leur énergie de masse3. Un exemple
d’annihilation de paire est illustré à la figure 3.
Figure 3 Annihilation d’une paire proton-antiproton
γ+γ→+ pp
L’inverse, la création d’une paire particule-antiparticule, est aussi possible. Un photon gamma dont
l’énergie est égale ou supérieure à l’énergie de masse des particules créées ( 2
0
2cmE ≤
γ) et qui
interagit avec un atome au repos peut se transformer en une particule et son antiparticule. Un exemple
de création de paire est illustré à la figure 4.
Figure 4 Création d’une paire électron-positron
noyaueenoyau ++→+γ −+ 4
Leptons/Hadrons
Les leptons sont des particules qui ne subissent pas l’interaction forte. Ils n’interagissent entre eux et
avec les autres particules que par le biais des interactions gravitationnelle, électromagnétique et faible.
Les deux premiers leptons connus sont l’électron et le neutrino. Le premier a été découvert en 1897 par
3 La fameuse relation E = mc2.
4 Le noyau reste inchangé au cours de cette réaction. Il acquiert tout au plus de l’énergie cinétique.
p p
γ γ
γ
noyau
e-
e+

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Thomson, alors que le second a été proposé par Pauli et Fermi, en 1932, afin de pouvoir respecter la loi
de la conservation de la quantité de mouvement dans une désintégration bêta. Cette particule a été
observée pour la première fois en 1956.
On a depuis découvert quatre autres leptons, qui sont le muon et le tau, de même charge que l’électron
mais plus massifs, et les deux neutrinos correspondants. On est donc en présence de trois générations
de leptons chargés auxquels correspondent trois leptons neutres, les neutrinos. À chacune de ces
particules est associés trois nombres quantiques intrinsèques notés Le, Lµ et Lτ. Pour chacun de ces
nombres, le total doit être conservé lors d’une réaction. Les principales propriétés des leptons se
retrouvent au tableau 2.
Tableau 2 Les leptons
Génération 1ère 2
e 3 e
Particule e νe µ νµ τ ντ
Charge électrique -1 0 -1 0 -1 0
Masse (MeV/c2) 5 0,511 0 (?) 105,66 0 (?) 1777 0 (?)
Le 1 1 0 0 0 0
Lµ 0 0 1 1 0 0
Lτ 0 0 0 0 1 1
De plus, à chaque lepton correspond son antiparticule, dont tous les nombres quantiques intrinsèques
sont opposés. On peut donc illustrer la conservation des nombres leptoniques avec la désintégration du
muon :
µ → e + νe + νµ
L
e: (0) = (+1) + (-1) + (0)
L
µ: (1) = (0) + (0) + (1)
Il est aussi à noter que parmi les leptons chargés, seul l’électron est stable, les autres se désintégrant
très rapidement en particules plus légères. De nombreuses expériences menées sur ces particules
tendent à démontrer qu’elles sont élémentaires, du moins jusqu’à une échelle de 10-18 m.
Les hadrons, à l’opposé des leptons, sont des particules relativement lourdes qui sont influencées par
l’interaction forte. Ce groupe de particules est aussi subdivisé en deux catégories se basant sur leur
mode de désintégration et leur composition en quarks. Les baryons forment entre autres des protons
lorsqu’ils se désintègrent et sont formés de trois quarks. Le seul baryon stable est le proton. Le neutron
libre, quant à lui, a une durée de vie moyenne de 900 s, ce qui permet de le considérer comme étant
une particule quasi-stable.
5 Certaines expériences menées récemment tendent à démontrer que les neutrinos ont une masse non-nulle.