Les particules subatomiques sont les éléments constitutifs de l’univers, des composants plus petits qu’un atome. Ils sont fondamentaux pour comprendre les lois de la nature et la structure de la matière. Tout au long de cette leçon, nous nous lancerons dans une exploration de ces particules, de leurs propriétés et de la manière dont elles interagissent, jetant ainsi les bases de la compréhension de la physique des particules.
Le modèle standard est la théorie décrivant trois des quatre forces fondamentales connues de l'univers, à l'exclusion de la gravité, et classifie toutes les particules subatomiques connues. Il classe ces particules en fermions (particules de matière) et bosons (porteurs de force).
Les fermions sont divisés en quarks et leptons, tandis que les bosons comprennent les photons, les bosons W et Z, les gluons et le boson de Higgs. Les quarks se combinent pour former des protons et des neutrons, les composants des noyaux atomiques, tandis que les leptons contiennent des électrons qui gravitent autour du noyau.
Les quarks se déclinent en six types ou « saveurs » : up, down, charm, étrange, top et bottom. Ils font l’expérience des quatre forces fondamentales, y compris la puissante force nucléaire qui les maintient ensemble au sein des protons et des neutrons. Les quarks ne sont jamais trouvés isolément en raison d'un phénomène appelé « confinement de couleur » ; ils existent par paires ou en groupes de trois, formant des hadrons comme des protons (deux quarks up et un quark down) et des neutrons (deux quarks down et un quark up).
Les leptons, en revanche, ne subissent pas la forte force nucléaire. L'électron est le lepton le plus connu, souvent présent dans le nuage entourant le noyau atomique. D'autres leptons comprennent le muon, le tau et leurs neutrinos correspondants, qui sont presque sans masse et interagissent très faiblement avec la matière.
Les bosons sont des particules qui médient les forces fondamentales. Le photon est porteur de la force électromagnétique, tandis que les bosons W et Z sont responsables de la force nucléaire faible, responsable des processus de désintégration nucléaire. Les gluons transportent la forte force nucléaire, retenant les quarks ensemble au sein des protons et des neutrons. Le boson de Higgs, découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC), est associé au champ de Higgs, qui donne de la masse aux particules.
Chaque type de particule dans le modèle standard a une antiparticule correspondante, identique en masse mais opposée dans d'autres propriétés telles que la charge électrique. Lorsque les particules et les antiparticules se rencontrent, elles s'annihilent, convertissant leur masse en énergie selon l'équation d'Einstein, \(E = mc^2\) , où \(E\) est l'énergie, \(m\) est la masse et \(c\) est la vitesse de la lumière.
Plusieurs expériences ont joué un rôle crucial dans notre compréhension des particules subatomiques :
La QCD est la théorie expliquant la force nucléaire forte, l'une des quatre forces fondamentales, opérant entre les quarks et les gluons. Il postule que les quarks portent une propriété appelée « charge de couleur » et que l'échange de gluons, qui portent également une charge de couleur, assure la médiation de la force forte. L'intensité de la force forte diminue à mesure que les quarks se rapprochent, une propriété connue sous le nom de « liberté asymptotique ».
La théorie électrofaible unifie les forces électromagnétiques et nucléaires faibles dans un cadre unique. Cela explique comment, à des niveaux d’énergie élevés (comme ceux qui suivent immédiatement le Big Bang), ces deux forces se comportent comme une seule. La théorie prédit l’existence des bosons W et Z, confirmée plus tard expérimentalement.
Malgré son succès, le Modèle Standard n’est pas complet. Il n’intègre pas la gravité, décrite par la théorie de la relativité générale, ni n’explique la matière noire et l’énergie noire qui constituent la majeure partie de l’univers. Des théories telles que la supersymétrie et la théorie des cordes proposent des extensions au modèle standard, introduisant de nouvelles particules et de nouveaux concepts pour tenter de résoudre ces mystères.
En conclusion, les particules subatomiques, les composants les plus fondamentaux de la matière, font partie intégrante de la compréhension de la structure de l'univers et des forces sous-jacentes qui le façonnent. L’étude de ces particules, à travers des cadres théoriques comme le modèle standard et des expériences révolutionnaires, continue de remettre en question et d’élargir notre connaissance du cosmos.
