Le modèle standard est une théorie de la physique des particules qui explique comment les particules et les forces fondamentales de l'univers interagissent les unes avec les autres. Il combine la mécanique quantique et la relativité restreinte pour fournir un cadre permettant de comprendre la structure de la matière aux plus petites échelles. Le modèle standard est étayé par des preuves expérimentales et constitue l’une des théories scientifiques les plus rigoureusement testées.
Le modèle standard décrit trois des quatre forces fondamentales connues dans l’univers : les forces électromagnétiques, nucléaires faibles et nucléaires fortes. Cela n’inclut pas la gravité, qui est décrite par la relativité générale. Le modèle classe toutes les particules élémentaires connues en deux groupes principaux : les fermions et les bosons.
Les fermions sont les éléments constitutifs de la matière. Ils sont subdivisés en deux groupes : les quarks et les leptons. Les quarks existent en six « saveurs » : haut, bas, charme, étrange, haut et bas. Ils se combinent de manière spécifique pour former des protons et des neutrons, qui constituent les noyaux des atomes. Les leptons comprennent les électrons, les muons, les taus et leurs neutrinos correspondants. Les électrons gravitent autour du noyau atomique formé de protons et de neutrons, constituant les atomes.
Les bosons sont des particules qui assurent la médiation des forces fondamentales entre les fermions. Le photon ( \(\gamma\) ) est le porteur de la force électromagnétique, les bosons W et Z assurent la médiation de la force nucléaire faible et les gluons ( \(g\) ) portent la force nucléaire forte. Le boson de Higgs ( \(H\) ) est une particule spéciale associée au champ de Higgs, donnant de la masse à d'autres particules.
La force électromagnétique est décrite par la théorie de l'électrodynamique quantique (QED). Il est responsable des interactions entre particules chargées via l’échange de photons. La force électromagnétique lie les électrons aux noyaux atomiques, formant ainsi des atomes. L’équation d’interaction pour la force électromagnétique peut être représentée comme suit :
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)où \(F\) est la force, \(k e\) est la constante de Coulomb, \(q1\) et \(q_2\) sont les charges, et \(r\) est la distance entre les charges.
La force nucléaire faible est responsable de la désintégration radioactive et de certaines réactions nucléaires. Elle est médiée par les bosons W et Z. Un exemple de processus impliquant la force faible est la désintégration bêta, où un neutron dans le noyau d'un atome se transforme en proton, émettant un électron et un antineutrino électronique ( \(\bar{\nu}_e\) ). L'interaction peut être représentée comme suit :
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)La forte force nucléaire lie les quarks entre eux pour former des protons et des neutrons et maintient la cohésion du noyau atomique. C'est la plus puissante des quatre forces fondamentales mais elle agit sur de très courtes distances. La force forte est médiée par les gluons et sa force est décrite par la chromodynamique quantique (QCD). La force entre les quarks est donnée par :
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ sur de courtes distances} \)mais augmente avec la distance, confinant les quarks dans les protons et les neutrons.
Le mécanisme de Higgs explique comment les particules acquièrent de la masse. Il propose un champ, le champ de Higgs, qui imprègne l'univers. Les particules interagissant avec ce champ gagnent en masse ; plus l’interaction est forte, plus la particule est lourde. Le boson de Higgs est la particule quantifiée associée à ce champ, découverte en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.
Les prédictions du modèle standard ont été confirmées par de nombreuses expériences. Les découvertes notables incluent le quark top (1995), le neutrino tau (2000) et le boson de Higgs (2012). Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN et le collisionneur Tevatron du Laboratoire Fermi ont joué un rôle crucial dans ces découvertes. Ces expériences impliquent la collision de particules à haute énergie et l’observation des résultats, ce qui donne un aperçu des constituants fondamentaux de la matière et des forces qui agissent sur eux.
Bien que le modèle standard ait connu un énorme succès, il présente des limites. Cela n’explique pas la matière noire et l’énergie noire de l’univers, l’asymétrie matière-antimatière ou la force de gravité. Des théories telles que la supersymétrie et la théorie des cordes proposent des extensions au modèle standard pour résoudre ces mystères, mais les preuves expérimentales de ces théories font encore défaut.
Les recherches en cours en physique des particules visent à approfondir notre compréhension de l'univers, conduisant potentiellement à une théorie plus complète incluant les quatre forces fondamentales et résolvant les questions restées sans réponse du modèle standard.
