Kezako : Les particules élémentaires

Une particule dite élémentaire est une particule sans structure interne, c’est une particule qui n'est pas composée d'autres particules.

Les particules élémentaires sont les objets qui sont exploités par la théorie quantique des champs.

Les fermions et les bosons

• Les particules qui forment la matière sont appelées les fermions. Ce sont les quarks et les leptons.

• Celles qui forment le rayonnement sont appelées les bosons. Ce sont les vecteurs de force.

Les fermions

- Les fermions regroupent les quarks et les leptons. L'électron est un lepton.

- Les quarks sont les seules particules sensibles à l’interaction nucléaire forte. Ils peuvent s'assembler pour former des hadrons. Le proton et le neutron sont des hadrons.

Il existe 3 familles ou générations de fermions :

• Electronique : quarks Up et Down, électron, neutrino-electronique

• Muonique : quarks Charme et Strange, muon, neutrino-muonique

• Tauïque : quarks Top et Bottom, tau, neutrino-tauïque

Chaque famille contient des quarks de 2 types, par exemple quark Up et quark Down pour la famille électronique; on appelle cette caractéristique la 'saveur' du quark.

La famille électronique constitue les éléments de base de la matière ordinaire. Les autres familles sont exotiques avec des masses plus élevées et on les trouve principalement au niveau des rayons cosmiques ou dans les accélérateurs de particules.

Les bosons

La physique est gouvernée par 4 forces fondamentales à savoir :

• la force électromagnétique

• la force nucléaire forte

• la force nucléaire faible

• la force gravitationnelle

Les 3 premières se manifestent par un rayonnement, chaque interaction ayant sa propre particule, son boson.

Le boson s'échange entre les particules soumises à l'interaction. Le boson est la particule véhiculant le vecteur de force.

• Le photon ... ou lumière

La force électromagnétique est portée par les photons.

Le photon se manifeste sous la forme de lumière visible ou invisible selon la fréquence de l'onde. Comme le photon est de masse nulle, il a une portée infinie.

• Le gluon ... une colle forte

La force nucléaire forte est portée par les gluons. Son rayon d'interaction est très faible, mais elle est très puissante. Elle se manifeste par le confinement des quarks en hadrons. Lorsque la distance entre les quarks est faible, l'interaction est également faible, mais dès qu'ils cherchent à s’écarter les uns des autres, l’interaction s’intensifie afin d'éviter qu'ils ne s'échappent.

• Les bosons W et Z , la radioactivité

La force nucléaire faible est moins connue mais néanmoins fondamentale. Elle est 100 fois plus faible que la force nucléaire forte. Elle est portée par les bosons intermédiaires W+, W- et Z0. Les W changent la saveur des quarks. La radioactivité béta transforme les protons en neutrons et vice versa. Elle est à l'origine de la nucléosynthèse dans les étoiles. Elle a une portée très courte, et son influence est limitée au noyau atomique.

• Higgs, le boson manquant ...

Dans les années 60, de par les modèles physiques qui la remettaient en cause, des physiciens se sont interrogés sur ce qu'était la masse des particules.

Etait-ce un problème ontologique ou un problème législatif ? Higgs a parié sur un problème ontologique et a postulé l'existence d'un champ qui freinerait les particules. Pour Higgs, la masse d'une particule n’est plus une propriété intrinsèque de la particule mais résulte de son degré d'interaction avec le champ qui porte son nom.

La masse nulle du photon s'expliquerait par le fait que le photon n'interagit pas avec ce champ. A contrario, la masse d'une particule serait d'autant plus importante que l'interaction est forte.

Le boson imaginé par Higgs a bel et bien été repéré en 2012 par le CERN au LHC de Genève. Tout comme le champ électromagnétique a sa particule - le photon - le champ de Higgs a aussi sa propre particule - le boson de Higgs.