PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
Un bref historique
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 : ce dernier 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. Pour pénétrer à l'intérieur du proton, il fallait des énergies de choc bien supérieures à 100 MeV. C'est ce que permettaient d'obtenir les premiers grands accélérateurs de particules, les synchrotrons.
La physique des particules des années 1960
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. On en distingue aujourd'hui plusieurs centaines de hadrons formés de quarks.
Baryons et mésons
Encyclopædia Universalis France
Murray Gell-Mann introduit la notion de quark et montre comment toutes ces particules peuvent être considérées comme des assemblages de quarks (un quark et un antiquark pour un méson et trois quarks pour un baryon). Le tableau 2 donne cette structure pour quelques hadrons (baryons et mésons).
Une expérience décisive est alors la découverte du grand oméga moins (Ω—) au B.N.L. (Brookhaven National Laboratory) en 1964 : une particule formée de trois quarks étranges. Ses propriétés avaient pu être prédites. Le quark reste l'hypothèse de base et d'autant plus que l'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 (dualité). Dans ce contexte, bootstrap (chaque particule est un état lié d'autres particules) et dualité sont les termes de référence. Les interactions faibles au niveau des particules sont comprises et interprétées par l'échange de 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 S.L.A.C. (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 de diffusions d'électrons, de muons et de neutrinos montre que ces diffuseurs ponctuels ont toutes les propriétés attendues pour les quarks. Cependant, le modèle décrivant le proton comme un état lié de trois quarks apparaît vite comme trop simpliste ; l'expérience montre que la moitié de l'énergie d'un proton est portée par des entités électriquement neutres, qu'on appelle gluons.
La physique des particules des années 1970
Abdus Salam
Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
On comprend comment les quarks peuvent se manifester à l'intérieur[...]
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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
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Énergie nucléaire
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Particules élémentaires : propriétés
Encyclopædia Universalis France
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