PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
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Les physiciens poursuivent depuis plus d’un siècle 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. Ramener la variété quasi infinie des objets qui nous entourent à de multiples et divers assemblages de quelques constituants fondamentaux – les particules élémentaires – et comprendre la façon dont ils se lient entre eux constituent les objectifs de la physique des particules élémentaires. Il s'agit d'une physique quantique où le prix à payer pour la résolution recherchée – c’est-à-dire l’identification des particules et leurs interactions – est l'énergie de choc entre particules. La physique des particules élémentaires s'identifie ainsi presque entièrement à la physique des hautes énergies car la compréhension de la structure intime de la matière passe principalement par l’étude de processus dans lesquels on transfère de grandes énergies à des particules de taille infime. De plus, parce que l’on comprend le début de l’Univers comme une époque où la densité d’énergie était gigantesque – l’Univers est encore de taille réduite –, cette physique est aussi une des clés de la cosmologie moderne.
Une particule élémentaire : un concept évolutif
La reconnaissance du caractère élémentaire d'une particule a évolué avec le degré de précision des observations, en fait avec la résolution des instruments utilisés pour les étudier. Cela explique pourquoi le proton et le neutron, longtemps tenus pour de « véritables » particules élémentaires, ont perdu dans les années 1960-1970 leur statut 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 techniques ont permis par ailleurs de déceler l'existence de particules de masses élevées – les quarks lourds, les leptons lourds, les bosons faibles et le boson de Higgs – ou extraordinairement discrètes, comme les gluons ou les neutrinos. Ces dernières décennies, des accélérateurs de particules toujours plus puissants et des ensembles de détection sophistiqués ont ainsi fait progresser de façon remarquable la connaissance de l'infiniment petit. Les progrès théoriques ont de leur côté permis de classer les particules par le biais de la théorie mathématique des représentations des groupes de symétrie.
Niveaux de structure
Encyclopædia Universalis France
Ces objets macroscopiques se sont ainsi révélés comme constitués d'un emboîtement de structures de plus en plus simples et de moins en moins diversifiées qui se dévoilent à tour de rôle avec l’augmentation du pouvoir séparateur des appareils de mesure, des microscopes aux divers détecteurs couplés parfois à des accélérateurs de particules. Les différents niveaux de structure de la matière directement visualisables vont de la taille d’un virus (typiquement 10–7 m), à celle d’une molécule (10–9 m). Le niveau de l'atome, dont l'échelle est de l'ordre de 10–10 m est également atteint par certains dispositifs microscopiques. 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.
Énergie nucléaire
Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.
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 volume relativement grand de l'atome, qui est 1 000 milliards de fois supérieur à celui du noyau. À la précision des mesures actuelles, l'électron est une particule quasi ponctuelle eu[...]
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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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Niveaux de structure
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Énergie nucléaire
Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.
Les particules élémentaires
Encyclopædia Universalis France
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