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Les particules élémentaires de la matière

Publié le 4 mars 2016

​Les objets, la lumière, l’électricité… La matière qui nous entoure est un assemblage de particules élémentaires reliées entre elles par des interactions. C’est ce que décrit la théorie du modèle standard de la physique des particules. Cette théorie explique l’origine, la composition et les propriétés intimes de la matière et des forces à l’aide de « grains » élémentaires. Certaines de ces particules ont été observées et étudiées depuis longtemps. D’autres commencent tout juste à être « détectées », comme le boson de Higgs. Certaines n’ont cependant toujours pas pu être débusquées par les plus puissants détecteurs du monde.

Les particules,
ingrédients de la matière

La matière qui nous entoure est composée de particules élémentaires, plus petites que les atomes. Ces « briques » microscopiques sont définies par plusieurs propriétés :

  • une masse : une particule est plus ou moins « massive ». À cette échelle infiniment petite, la masse s’exprime en énergie (électronvolt) ;

  • une charge électrique : une particule peut posséder des propriétés électriques ou non ;

  • un spin : responsable d’une partie des propriétés magnétiques, à l’échelle subatomique ;

  • une « charge de couleur » : rouge, verte ou bleue (attention : à l’échelle des particules, la notion de « couleur » n’est pas la même qu’à l’échelle humaine ; il s’agit d’un code auquel on peut attribuer 3 possibilités, représentées par trois couleurs).

Selon leurs propriétés et leur environnement, les particules peuvent s’attirer, rester ensemble, s’éviter, ne pas interagir du tout…


Propriétés de quelques particules

  Masse Charge Spin Couleur
  Quark up   1,5->4 Me/c2 +2/3 ½ 1 couleur (rouge, vert ou bleu)
  Quark down   4->8 MeV/c2 -1/3 ½ 1 couleur (rouge, vert ou bleu)
  Electron   ≈ 0,5 MeV/c2 -1 ½ pas de couleur
  Neutrino ve   < 2,5 eV/c2 0 ½ pas de couleur
  Photon   0 eV/c2 ≈ 0 1 pas de couleur
  Gluon   0 eV/c2 0 1 1 couleur +1 « anti-couleur »
  Boson de Higgs   ≈ 125 GeV/c2 0 0 pas de couleur
  Positon   ≈ 0,5 MeV/c2 +1 ½ pas de couleur



Deux grandes familles :
les « grains » de matière
et les champs de force

De façon générale, il existe deux grandes familles de particules-clés : les fermions et les bosons. Les premiers constituent les briques de matières tandis que les seconds sont des champs de force qui permettent à ces briques d’interagir et de s’assembler.

NB : Les « antiparticules » sont des particules (fermions ou bosons) de charge électrique et de couleur opposées à celles des particules « standard ».


particules élémentaires 
Les particules élémentaires. © CEA - Cliquez sur l'image pour l'agrandir.



Des particules élémentaires
aux atomes :
comprendre l’infiniment petit

Les atomes, encore parfois présentés à tort comme plus petites unités de matière, sont constitués de fermions, « particules de matière », maintenues ensemble par des bosons, « particules de force ».

  • Le noyau d’un atome est composé de protons et de neutrons. Ces éléments sont des assemblages de quarks (hadrons baryoniques) de la famille des fermions.

  • Ils sont maintenus ensemble grâce à des échanges continus de gluons, qui appartiennent à la famille des bosons.

  • Des électrons circulent autour du noyau : ces leptons sont liés au noyau par des photons (interaction électromagnétique).

Grâce aux gluons, les quarks peuvent s’assembler et former des particules composites. On ne parle plus de particules élémentaires, mais de hadrons (assemblages de quarks).


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assemblages particules
Les assemblages de particules. © CEA





Les outils de recherche

Beaucoup de particules élémentaires ne sont pas stables. Elles se désintègrent rapidement en d'autres particules, ce qui rend leur étude difficile. Sonder la matière à l’échelle subatomique nécessite des outils de pointe :

  • Les accélérateurs de particules permettent de provoquer des collisions de particules à des vitesses proches de celle de la lumière, pour en créer de nouvelles et étudier leurs propriétés. Il est possible de recréer des conditions (d'énergie, de température…) proches de celles qui existaient au début de l'Univers. Ces accélérateurs produisent ainsi des particules fugaces qui existaient dans les premiers instants de l’Univers. Ces particules sont observées grâce à des détecteurs géants. Le LHC (Large Hadron Collider), plus grand accélérateur de particules du monde, est installé dans un tunnel en forme d’anneau de 27 km de circonférence, creusé à 100 mètres sous terre entre la France et la Suisse.

  • Les observatoires spatiaux : l’étude de l’Univers est intimement liée à la physique des particules. Elles tendent toutes les deux à comprendre l’origine de l’Univers, son évolution et sa composition. Par exemple, Le télescope HESS II étudie des rayons cosmiques appelés « sursauts gamma », qui sont constitués de jets de photons très énergétiques. Les rayonnements cosmiques peuvent être également composés de protons, noyaux d’hélium ou encore d’électrons.






Zoom

La théorie
du Modèle standard

Elaboré dans les années 1960-70, le modèle standard est une théorie très puissante qui décrit la structure de la matière à des échelles ultimes (inférieur à 10-15 mètres). C’est la meilleure description connue de l’ensemble des constituants élémentaires de la matière et des interactions fondamentales (forte, faible, et électromagnétique) qui s’exercent entre eux. La cohérence de ce modèle repose sur l’existence d’une particule très spéciale, le boson de Higgs, qui expliquerait l’origine de la masse des particules constituant la matière.



Notions clés

  • La matière est composée de particules élémentaires qui interagissent entre elles.

  • L’existence, les propriétés et interactions de ces particules sont prédites par la théorie du modèle standard.


  • Pour confirmer cette théorie, les chercheurs emploient des accélérateurs de particules pour découvrir et caractériser les particules. Ces expériences se complètent par les recherches en astrophysique.



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Tunnel du LHC
Tunnel du LHC. © P.Stroppa/CEA