La physique des particules est une branche de la physique qui étudie la nature des particules qui constituent la matière et le rayonnement. Même si les particules ne sont pas visibles à l’œil nu, leurs effets sont effectivement colossaux sur l’univers. Ce domaine étudie les plus petits constituants de la matière et comment ils interagissent les uns avec les autres. Comprendre ces particules et leurs interactions nous aide à comprendre l’univers à grande échelle.
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit trois des quatre forces fondamentales connues de l'univers (les interactions électromagnétiques, faibles et fortes, mais pas la gravité) et classe toutes les particules élémentaires connues. Il divise les particules en deux groupes principaux : les fermions et les bosons.
Les fermions sont les éléments constitutifs de la matière. Ils ont un spin demi-entier et obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie que deux fermions ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique. Les fermions sont en outre classés en leptons et quarks.
Les bosons sont des particules qui transportent des forces et ont un spin entier. Ils n'obéissent pas au principe d'exclusion de Pauli. Il existe quatre types de bosons dans le modèle standard :
Dans l’univers, il existe quatre interactions fondamentales qui régissent le comportement de toute matière et énergie. Le modèle standard en explique avec succès trois :
La gravité, la quatrième force, n'est pas encore décrite par le modèle standard. Cela s'explique par la théorie de la relativité générale et on pense qu'il est médié par une particule théorique connue sous le nom de graviton.
Pour étudier la physique des particules, les scientifiques utilisent de grandes machines appelées accélérateurs de particules pour accélérer et entrer en collision des particules à haute énergie. Ces collisions produisent de nouvelles particules et permettent aux chercheurs d’étudier les propriétés de ces particules.
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN près de Genève, en Suisse, est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Il a joué un rôle déterminant dans la découverte du boson de Higgs.
La théorie quantique des champs est le cadre théorique de la physique des particules. Il combine mécanique quantique et relativité restreinte. QFT décrit les particules comme des états excités de leurs champs sous-jacents. Par exemple, les photons sont des excitations du champ électromagnétique et les électrons sont des excitations du champ électronique.
Pour chaque particule, il existe une antiparticule de charge électrique opposée. Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent mutuellement, produisant des rayons gamma. L'antimatière est utilisée en imagerie médicale et fait l'objet de recherches pour comprendre le déséquilibre entre matière et antimatière dans l'univers.
Les neutrinos sont des particules neutres extrêmement légères qui interagissent très faiblement avec d’autres matières. Des milliards de neutrinos nous traversent chaque seconde, pour la plupart inaperçus. Les neutrinos proviennent du soleil et d'autres sources astronomiques. Ils sont importants pour comprendre les processus stellaires et la structure de l'univers.
La physique des particules est un domaine fascinant et complexe qui explore les composantes et forces fondamentales de l’univers. Grâce à des expériences utilisant des accélérateurs de particules comme le LHC et des cadres théoriques tels que le modèle standard et la théorie quantique des champs, les scientifiques continuent de découvrir les mystères de l'univers, une particule à la fois.
