PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Les physiciens poursuivent l'étude de la structure de la matière dans le but de trouver plus d'unité et de simplicité dans un monde qui nous frappe par sa diversité et son apparente complexité. N'est-il pas remarquable de pouvoir ramener la variété quasi infinie des objets qui nous entourent aux multiples constructions de quelques constituants fondamentaux ?

Trouver ces constituants, et comprendre la façon dont ils se lient entre eux, est le but de la physique des particules élémentaires. Il s'agit d'une physique quantique où le prix à payer pour la résolution recherchée est l'énergie de choc entre particules. La physique des particules élémentaires s'identifie presque entièrement à la physique des hautes énergies. Cette physique est aussi, de ce fait, une des clés de la cosmologie moderne.

La reconnaissance du caractère élémentaire d'une particule évolue avec le degré de précision des observations. Le proton et le neutron ont ainsi perdu le statut de particule élémentaire au profit des quarks et des gluons qui les composent. En revanche, l'électron, le neutrino et le photon semblent bien encore dépourvus de structure interne. Les progrès théoriques ont permis de classifier les particules par le biais de la théorie mathématique des représentations des groupes de symétrie. Les progrès techniques ont permis par ailleurs de déceler l'existence de particules de masses élevées – les quarks et les leptons lourds et les bosons faibles – ou extraordinairement discrètes, comme les gluons ou les neutrinos. Ces dernières décennies, accélérateurs de particules toujours plus puissants et ensembles de détection sophistiqués ont ainsi fait progresser de façon remarquable la connaissance de l'infiniment petit.

Essai de définition de la particule élémentaire

Nous n'avons encore jamais été déçus dans notre recherche d'unité et de simplicité, étudiant la structure de la matière avec une résolution de plus en plus poussée. Les objets macroscopiques sont constitués d'un emboîtement de structures de plus en plus simples et moins diversifiées qui se dévoilent à tour de rôle, quand le pouvoir séparateur de l'appareil de mesure (en l'occurrence les accélérateurs de particules et les détecteurs) augmente.

Les différents niveaux de structure observables sont celui du virus, avec une taille typique de 10^—7 m, celui de la molécule, d'une dimension de 10^—9 m, et celui de l' atome, dont l'échelle est de l'ordre de 10^—10 m (fig. 1). Continuant cette descente dans la structure de la matière, on atteint le noyau de l'atome, avec une taille typique de 10^—14 m, puis le nucléon ( proton ou neutron) dont la dimension est de l'ordre de 10^—15 m. Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, liés entre eux d'une façon assez compacte. Dans l'atome, des électrons (de charge — e) compensent, par leur nombre, la charge Ze du noyau correspondant au nombre de protons qui s'y trouvent. Les électrons remplissent, par leur mouvement incessant, le relativement grand volume de l'atome, qui est mille milliards de fois plus grand que celui du noyau. À la précision des mesures actuelles, l'électron est une particule quasi ponctuelle. Son rayon est inférieur à 10^—19 m. C'est une des particules élémentaires reconnues comme telles.

Niveaux de structure - crédits : Encyclopædia Universalis France — Niveaux de structure
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Énergie nucléaire - crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française. — Énergie nucléaire
Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

Les constituants de base, les fermions (quarks et leptons)

Continuant la descente au-delà de 10^—15 m, on atteint le niveau des quarks, les constituants du proton et du neutron. Nous pouvons étudier avec précision la structure de la matière à l'échelle de 10^—18 m : on distingue alors clairement les quarks. À la précision des mesures, le quark est une particule quasi ponctuelle, donc élémentaire. Son rayon est inférieur à 10^—19 m.

À partir des particules élémentaires,[...]

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Écrit par

Maurice JACOB : physicien au Cern, Genève, membre de l'Académie des sciences de Suède, correspondant de l'Académie des sciences de France
Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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