PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
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Le modèle standard, cadre théorique de la physique des particules
La physique des particules élémentaires s'exprime dans le cadre de la théorie quantique des champs. Il s’agit là du formalisme construit dans le second quart du xxe siècle par les théoriciens qui sont parvenus à combiner les idées clés de la mécanique quantique, de la relativité et de la causalité. Chaque particule – qu'il s'agisse des fermions de spin 1/2 (quarks et leptons) ou des bosons vectoriels associés aux forces fondamentales – est décrite par un champ quantique défini en chaque point de l'espace-temps (x, y, z, t). Les interactions entre particules correspondent à des couplages locaux (au même point) entre champs.
Ce formalisme conduit nécessairement à la notion d'antiparticule, des entités dont l'existence s'impose aussi bien théoriquement qu'expérimentalement, et qui sont aussi matérielles que les particules elles-mêmes, mais qui, du fait de la faculté d'annihilation d'une particule avec son antiparticule, sont fort difficiles à étudier.
Les lois de conservation
Pour chaque particule (quark ou lepton), on a ainsi une antiparticule de même masse et de même spin, mais ayant des propriétés internes (charge électrique, saveur, couleur) opposées. La structure des interactions connues implique qu’il y a conservation du nombre global de quarks diminué du nombre d'antiquarks et conservation du nombre de leptons diminué du nombre d’antileptons. Ces « règles de sélection » ne sont pas liées à une symétrie fondamentale de la nature mais à une propriété expérimentalement vérifiée qu’on a incorporée dans la construction mathématique de chacune des interactions du modèle standard. Il en résulte que la transformation de l'énergie en matière ou de la matière en énergie correspond à la production ou à l' annihilation de paires particule-antiparticule. Par exemple, un électron et un positon (l'antiparticule de l'électron) s'annihilent en photons ou sont simultanément créés par la collision de deux photons. Si un quark et un antiquark s'annihilent, cela donne un photon, un boson W ou un boson Z, dont la désintégration peut elle-même engendrer soit une paire de quark-antiquark ou de lepton-antilepton.
Modes d'interaction des quarks et des leptons
Encyclopædia Universalis France
Pour chaque processus fondamental, Richard Feynman a proposé de représenter l'expression mathématique de l'amplitude de probabilité d'une réaction par de petits dessins. Ces diagrammes de Feynman représentent une suite d'interactions ponctuelles et instantanées entre des champs quantiques.
Examinons l'annihilation d'un électron et d'un positon dotés d’une masse, résultant en un photon unique qui se désintègre ensuite en une paire quark-antiquark ou électron-positon. La cinématique est telle que l'on ne peut parfois pas simultanément satisfaire la relation E2 –p2c2 = m2c4 pour les particules externes et la particule (le photon) interne. On dit que la particule intermédiaire est, dans ce cas, un photon « virtuel ». Son existence, avec une énergie qui ne satisfait pas cette relation est possible au cours d'un temps Δt tel que ΔtΔE ≃ h où ΔE est l'écart d'énergie nécessaire.
Il s'agit là d'une fluctuation quantique par l'intermédiaire de laquelle l'interaction se manifeste. Au cours du temps Δt, un signal ne peut se propager que sur une distance Δx = cΔt.Une particule virtuelle ne peut traduire une interaction qu'à très faible distance. Ce sont cependant des conditions facilement remplies dans une description de la structure de la matière avec un haut niveau de résolution. À l'échelle de 10–18 m où la physique des particules décrit la nature, nous pouvons permettre des écarts d'énergie ΔE de 100 GeV, c’est-à-dire qu’on peut par exemple échanger un boson[...]
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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
Encyclopædia Universalis France
Énergie nucléaire
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Les particules élémentaires
Encyclopædia Universalis France
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