PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
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Bref historique de la quête aux particules élémentaires
La physique des particules, telle qu'elle existe aujourd'hui, s'est singularisée, dans les années 1950, en se séparant de la physique nucléaire, son objet d'étude propre étant non la structure du noyau de l'atome mais celle du proton, qui commençait à perdre son caractère élémentaire : le proton avait déjà une dimension reconnue ; il pouvait être excité et se désexciter par émission de mésons. L'étude des interactions des rayons cosmiques faisait apparaître de nouvelles particules qui enlevaient au proton sa singularité première. Mais, pour pénétrer à l'intérieur du proton, il fallait des énergies de choc bien supérieures à 100 MeV. C'est ce qu’ont permis d'obtenir les premiers grands accélérateurs de particules, les synchrotrons. Cette distinction entre physique nucléaire et physique des particules s’est estompée ensuite au fil des décennies, en particulier avec l’avènement des puissants collisionneurs de noyaux destinés à sonder la structure de phase de la chromodynamique quantique.
La physique des particules des années 1960 : quarks et gluons
La première grande surprise, au début des années 1960, fut une prolifération énorme du nombre des hadrons, particules ayant des interactions fortes : au cours de chocs avec des énergies dépassant largement les 100 MeV par particule, on ne brise pas le proton, mais on crée de nouvelles particules. L'énergie disponible se transforme en matière et antimatière. Les énergies mises en jeu pour pénétrer la structure étaient, pour la première fois, supérieures aux énergies de masse des hadrons. Certaines des particules produites se désintègrent par interactions faibles (temps de vie typique de l'ordre de 10–10 s). C'est le cas chaque fois qu'il faut pour cela changer la saveur d'un système de quarks. La plupart se désintègrent par interactions fortes (temps de vie typique de l'ordre de 10–23 s). Elles apparaissent toutes comme aussi élémentaires (ou complexes) les unes que les autres. Ces assemblages sont mal compris : on ne sait pas les décrire par des fonctions d’onde et on ignore par quel mécanisme précis les particules qui les composent sont confinées dans ces états liés.
Murray Gell-Mann (1929-2019) introduit en 1964 la notion de quark et montre comment tous les hadrons peuvent être considérés comme des assemblages de quarks – dans le modèle original, on décrit les mésons comme des états liés d’un quark et d’un antiquark, et les baryons comme des états à trois quarks.
Une expérience décisive est la découverte du baryon oméga moins (Ω–), au BNL (Brookhaven National Laboratory) en 1964, une particule qui semblant formée de trois quarks étranges et dont certaines propriétés ont été prédites. Bien qu’il n’existe alors aucune théorie cohérente expliquant les interactions entre les quarks, leur existence devient l'hypothèse de base permettant la classification des hadrons découverts en nombre toujours croissant dans les expériences. Pourtant, on n'arrive pas à extraire les quarks des hadrons, quelle que soit l'énergie mise en jeu. Les propriétés des interactions fortes au niveau des hadrons sont alors comprises en termes d'échange de mésons et de baryons entre particules. Les interactions faibles au niveau des particules sont comprises et interprétées par l'échange de bosons W très massifs. Le W reste cependant encore une hypothèse théorique non validée par des mesures expérimentales.
C'est alors qu'une expérience réalisée au SLAC (Stanford Linear Accelerator Centre) de Stanford en Californie, en 1968, fait apparaître des diffuseurs durs, quasi ponctuels, à l'intérieur de protons soumis au bombardement d'électrons de hautes énergies. L'étude du phénomène à l'aide d'électrons, de muons et de[...]
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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
Classification
Médias
Niveaux de structure
Encyclopædia Universalis France
Énergie nucléaire
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Les particules élémentaires
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