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 :
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une masse : une particule est plus ou moins « massive ». À cette échelle infiniment petite, la masse s’exprime en énergie (électronvolt) ;
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une charge électrique : une particule peut posséder des propriétés électriques ou non ;
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un spin : responsable d’une partie des propriétés magnétiques, à l’échelle subatomique ;
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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
| Quark up | 1,5->4 Me/c2 | +2/3 | ½ | 1 couleur (rouge, vert ou bleu) |
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| Quark down | 4->8 MeV/c2 | -1/3 | ½ | 1 couleur (rouge, vert ou bleu) |
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| Electron | ≈ 0,5 MeV/c2 | -1 | ½ | pas de couleur |
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| Neutrino ve | < 2,5 eV/c2 | 0 | ½ | pas de couleur |
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| Photon | 0 eV/c2 | ≈ 0 | 1 | pas de couleur |
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| Gluon | 0 eV/c2 | 0 | 1 | 1 couleur +1 « anti-couleur » |
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| Boson de Higgs | ≈ 125 GeV/c2 | 0 | 0 | pas de couleur |
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| Positon | ≈ 0,5 MeV/c2 | +1 | ½ | pas de couleur |
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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 ».
Les particules élémentaires. © CEA -
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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 ».
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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.
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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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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 :
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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.
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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.