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Les particules élémentaires Didier Lauwaert. Copyright © 2013. I. Introduction II. L’atome

II.1. Découverte des atomes Définition ; Antiquité ; La chimie ; Le mouvement brownien ; Voir les atomes

II.2. L’électron Les charges électriques ; L’électricité ; Magnétisme ; Les réactions chimiques ; Diode ; Radioactivité

II.3. Proton La partie de charge positive de l’atome ; Les masses des atomes ; Radioactivité

II.4. Structure de l’atome L’atome de Thomson ; L’atome de Rutherford

II.5. Le neutron Découverte du neutron ; Interaction forte ; Les isotopes ; La particule alpha

III. Le photon III.1. Le champ électromagnétique Champs électriques et magnétiques ; Mouvements et variations ; Solution ondulatoire ; Le spectre électromagnétique

III.2. L’effet photo-électrique Schéma expérimental ; Expérience ; Résultat en faisant varier l’intensité ; Résultat en faisant varier la fréquence des UV ; Interprétation ; Photons

III.3. Diffusion Compton Description ; Boules de billard

IV. Compléter la petite famille IV.1. Le neutrino Radioactivité bêta ; Spectre de l’émission ; Le neutrino ; Découverte

IV.2. Fermions et bosons Fermions ; Bosons ; Le spin ; Fermions et atomes ; Laser ; Moment magnétique ; Spin et statistique

IV.3. L’antimatière Impulsion ; Version relativiste ; Energies négatives ; La mer de Dirac ; Antiélectron ; Antimatière ; Positronium

IV.4. Un premier panorama

### tableau, fermions, bosons, matière, antimatière, charges, spins , masses V. Des découvertes à la pelle Les accélérateurs de particules ; Toujours plus grand ; Résultats

V.1. Des électrons lourds Le muon ; Le tau

V.2. Les mésons Le méson de Yukawa ; De nouvelles particules ; D’autres propriétés

V.3. Les baryons V.4. Le modèle octet Modèle des quarks ; Modèle octet ; Particules charmées

V.5. Un second panorama Particules élémentaires ; Mésons ; Baryons

VI. Les interactions VI.1. Echange de particules La théorie quantique des champs ; Interactions ; Echange de particules ; Exemple du photon ; Charges

VI.2. L’interaction faible Le modèle électrofaible ; Bosons intermédiaires ; Désintégration bêta

VI.3. L’interaction forte Modèle de l’interaction forte ; Confinement ; Couleurs ; Echange de gluons ; Interaction nucléaire

VII. La famille au grand complet VII.1. Les neutrinos Trois neutrinos ; L’énigme des neutrinos solaires ; Oscillation des neutrinos ; Masse des neutrinos ; Hélicité

VII.2. Compléter les quarks VII.3. Un dernier panorama

VIII. Un dernier venu La masse des particules ; Découverte

IX. Un grand absent Une quatrième interaction fondamentale ; Quantification de la gravité ; Le graviton

X. Références

I. Introduction La découverte des particules élémentaires et le Modèle Standard qui les rassemble constitue une très belle réussite du vingtième siècle. Leur histoire allant de découvertes en découvertes est extrêmement passionnante. Nous allons donner dans cette petite étude un panorama de l’ensemble des particules, de leurs propriétés et leurs découvertes. Nous ne suivrons pas strictement un chemin historique, certaines parties n’étant pas dans l’ordre. Nous avons choisi de présenter l’ensemble particule par particule (ou groupe de particules) pour plus de clarté. Nous ne présenterons pas les théories telles que la mécanique quantique ou la théorie quantique des champs, , si ce n’est quelques éléments en passant pour expliquer telle ou telle propriété.

II. L’atome

II.1. Découverte des atomes

Définition L’atome est la plus petite quantité de matière portant encore l’identité de cette matière (ses propriétés). Par exemple, l’oxygène est composé d’atomes d’oxygène. Si l’on essaie de diviser un atome, on obtient des parties qui ne peuvent plus s’identifier avec la matière d’origine et qui, nous le verrons, sont communes à toutes les sortes d’atomes. La matière se divise en :

Eléments simples composés d’atomes identiques, par exemple l’hydrogène, l’oxygène, le carbone, le fer,…

Molécules, assemblages d’atomes. Par exemple l’eau composée d’oxygène et d’hydrogène. Cela peut se vérifier en soumettant la matière composée à divers processus de décompositions physiques, thermiques, chimiques,… jusqu’à obtenir des éléments qui ne peuvent être décomposés en d’autres éléments. Ce travail a vraiment pris son essor et sa forme moderne avec les travaux de Lavoisier.

Antiquité L’idée de l’atome remonte à l’antiquité grecque avec Empédocle, Démocrite, Leucippe, Epicure. L’atome (du grec atomos) était considéré comme la plus petite partie constituante de la matière et indivisible. Ce concept fut ensuite propagé pratiquement inchangé jusqu’à la fin du dix-huitième siècle face à l’idée concurrente d’une matière continue et indéfiniment divisible. Cette approche était essentiellement philosophique et basée sur l’intuition. Il n’était pas très difficile de l’imaginer car, après tout, c’est juste une alternative : ou bien il y a un plus petit élément, ou il n’y en a pas. Les philosophes attribuaient d’ailleurs des comportements et des propriétés aux atomes bien différents de ce que l’on appelle atome aujourd’hui. L’atome des grecs était aussi différent de l’atome d’aujourd’hui qu’une souris d’un éléphant.

Il est vrai qu’ils disposaient de peu d’éléments expérimentaux sur lesquels se baser pour confirmer ou réfuter leurs idées. Ainsi, la diffusion d’une goutte d’encre dans de l’eau ou de la fumée dans l’air s’explique plus facilement avec des atomes, chaque population d’atomes se mélangeant à l’autre.

Le processus réel s’expliquant bien avec des atomes se heurtant de manière aléatoire alors qu’un milieu parfaitement continu aurait tendance à produire quelque chose comme l’image de droite. L’idée d’atomes fut d’ailleurs acceptée avec plus ou moins de bonheur jusqu’au début du vingtième siècle car beaucoup de scientifiques avaient bien du mal à accepter l’existence d’une entité invisible ou tout au moins dont ils ne pouvaient avoir une mesure directe par l’expérience. Le nombre de scientifiques convaincus allait malgré tout croissant.

La chimie Avec la naissance de la chimie moderne, à la fin du dix-huitième siècle, plusieurs découvertes permirent de donner plus de crédit à la notion d’atome.

Loi de conservation de la masse de Lavoisier. Dans toute réaction chimique, la masse totale de matière au début de la réaction est égale à la masse totale à la fin de la réaction. Cela nécessite évidemment de prendre en compte toutes les formes que peu prendre la matière : cendres et fumées dans la combustion, formation de rouille dans les processus d’oxydation, consommation d’oxygène dans les deux cas. Cela s’explique bien si l’on a un nombre d’atomes fixés au départ et qui se retrouvent à la fin après de simple recombinaison des assemblages d’atomes.

Loi des proportions définies de Proust. Dans une réaction quelconque, les proportions en masse des éléments qui interviennent sont toujours les mêmes et se retrouvent d’une réaction à l’autre. Par exemple, pour former 36 grammes d’eau, il faut toujours exactement 4 grammes d’hydrogène et 32 grammes d’oxygène. Pour former 64 gramme d’oxyde de soufre, il faut toujours 32 grammes de soufre et 32 grammes d’oxygène. Enfin, pour former 34 grammes de sulfure d’hydrogène il faut 32 grammes de souffres et 2 grammes d’hydrogène.

Les proportions rencontrées sont toujours des multiples simples, souvent entier, d’une même quantité des éléments considérés. Cela s’explique fort bien si l’on adopte l’hypothèse atomique, l’eau étant constituée de deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène (noté H2O) avec un atome d’oxygène 16 fois plus lourd qu’un atome d’hydrogène. Et de même pour les autres molécules (SO2 et H2S ci-dessus).

La relation est encore plus frappante avec la loi de Gay-Lussac. Elle s’applique aux gaz et affirme que dans toute réaction chimique gazeuse, les proportions d’éléments et molécules qui interviennent sont toujours dans des rapports simples, même pour des matière différente. Par exemple deux litres d’hydrogène et un litre d’oxygène donne un litre de vapeur d’eau. Cela s’explique aussi très bien si on dit qu’un atome, à pression donnée, occupe toujours le même volume quel que soit l’atome.

C’est Dalton qui le premier étudia cette possibilité en profondeur. Il commit fort peu d’erreur (par exemple, il est difficile de savoir que l’oxygène est en fait une molécule O2 composée de deux atomes car elle est difficile à décomposer) et l’essentiel des formules de molécules qu’il trouva à partir des données expérimentales est encore valable aujourd’hui. L’accumulation des données, en particulier sur l’électrochimie (nous verrons juste après) sont encore venues apporter des précisions et des confirmations de cette approche. La physique aussi apporta des résultats importants par la physique statistique : c’est la déduction de propriétés macroscopiques des corps (pression, volume, température, chaleur,…) à partir de l’hypothèse que la matière est composée d’atomes et de molécules animés de mouvement aléatoire (éventuellement avec des contraintes due aux liaisons dans les solides).

Le mouvement brownien Lorsque l’on observe au microscope de l’eau contenant de minuscules particules, par exemple des grains de pollens, on constate que ceux-ci sont animés d’un mouvement erratique.

Les trajectoires sont composées de segments de droites aléatoires. Cela s’explique parfaitement si l’ grain de pollen subit des collisions incessantes d’atomes trop petit pour être visible même au microscope. Einstein en 1905 publia un article où il étudiait les caractéristiques de ces trajectoires en fonction de la taille des atomes et de la physique statistique.

Les mesures expérimentales confirmèrent ces résultats avec précision donnant aussi une valeur précise du nombre d’atomes dans une certaine quantité de matière. Ce nombre, appelé nombre d’Avogadro, est le nombre d’atomes ou de molécules dans une proportion bien déterminée (proportionnelle aux proportions trouvées en chimie) appelée mole. Par exemple, une mole d’hydrogène (H2) vaut deux grammes. Ce nombre est considérable et vaut ( est un un suivi de 23 zéros). Soit plus de 600000 milliards de milliards d’atomes ou molécules. Cela implique que les atomes sont vraiment très petits et donc explique pourquoi personne ne les avait encore vu directement. Associé à d’autres découvertes liées à la radioactivité et la découverte de l’électron, plus personnes ne doutait vraiment de l’existence des atomes.

Voir les atomes Au vingtième siècle, la fabrication des microscopes à effet tunnel ou à force atomique permis de visualiser directement les atomes. Montrant sur une surface solide une succession de formes sphériques collées les unes contre les autres.

II.2. L’électron

Les charges électriques L’électricité et le magnétisme et certains de leurs effets étaient connus depuis la plus haute antiquité. Mais ce n’est qu’à partir du dix-septième siècle que des expériences de plus en plus nombreuses permirent de mieux comprendre ces phénomènes. Lorsque l’on frotte une peau (peau de chat, peau de chamois) avec un bâton en verre, en ébonite ou avec de l’ambre, on observe la formation d’électricité statique. Celle-ci se manifeste de plusieurs manières : petites décharges, lueurs dans le noir, attraction ou répulsion de fines feuilles chargées d’électricité statique. Notons en passant que le mot elektron en grec signifie ambre ! Pour mieux étudier ce phénomène, les physiciens mirent au point l’électroscope.

On a un flacon en verre traversé par une grosse tige en métal. A l’intérieur, l’extrémité de la tige se termine par deux fines feuilles d’or pouvant pivoter librement autour d’un axe. Si l’on touche la tige avec un bâton préalablement chargé d’électricité statique, on constate que les feuilles se repoussent. Ce type d’expérience avec divers bâtons, divers procédés pour avoir de l’électricité, ont permis de constater que :

Les charges électriques peuvent se déplacer à travers certains matériaux appelés conducteurs, comme les métaux.

On constate l’existence de deux types de charges électriques, notées positives (+) et négatives (-).

Les charges de même signe se repoussent (comme les feuilles de l’électroscope). Les charges de signes opposés s’attirent. La quantité de charge est additive. Les charges de signe positif et de signe négatif se neutralisent (si l’on place la même quantité

de charges positives négatives sur l’électroscope, les feuilles restent immobiles). On a pu ainsi établir une unité de mesure de « quantité de charge électrique » appelé le Coulomb du nom d’un physicien ayant étudié ces effets et notamment mesuré les forces d’attractions et de répulsions entre charges (en utilisant des boules chargées, très légères, suspendues à des fils).

L’électricité L’expérience montre aussi l’existence du courant électrique. Celui-ci peut être produit par divers procédés, comme avec de l’électricité statique ou avec des piles électriques.

L’expérience avec des électroscopes montre que le courant est un flux de charges électriques.

Magnétisme L’expérience montre aussi l’existence d’aimants, que ce soient des aimants naturels (magnétite, pierre d’aimant) ou certains métaux préalablement aimantés. On peut visualiser les lignes d’action du champ magnétique à l’aide de, par exemple, limaille de fer.

On constate l’existence de deux pôles dits nord et sud. Deux pôles de même type se repoussent, deux différents s’attirent. On constate aussi qu’un courant électrique crée un champ magnétique et qu’un champ magnétique exerce une force sur un conducteur parcouru par un courant électrique. Les deux phénomènes sont intimement liés.

Les réactions chimiques Lorsque l’on fait passer un courant électrique dans un milieu, il peut se produire des réactions chimiques. Par exemple, en faisant passer du courant dans de l’eau (salée pour qu’elle conduise le

courant), on a un dégagement d’hydrogène à une borne et d’oxygène à l’autre : l’eau est décomposée. Inversement, certaines réactions chimiques peuvent entrainer un déséquilibre de charges électriques et engendrer un courant électrique. C’est le principe des piles électriques. Etant donné la nature atomique des molécules, il n’est pas étonnant que les réactions chimiques entre molécules échangent des multiples d’une quantité de charge élémentaire. Cette charge élémentaire échangée fut appelée électron en 1891 par Johnstone Stoney.

Diode Considérons le dispositif suivant.

Ce dispositif, aussi appelé diode, est constitué d’une ampoule de verre sous vide dans laquelle on trouve :

Une cathode, portée à une tension négative et chauffée par une alimentation auxiliaire. Une anode reliée à une alimentation la portant à un fort potentiel positif.

Crookes découvrit qu’un fort courant électrique circulait entre la cathode et l’anode. La nature exacte de ce courant dans le vide de l’ampoule restait à découvrir mais on le nomma rayons cathodiques. Les rayons cathodiques peuvent être captés par diverses cibles : film photographique, plaque fluorescente, montrant clairement que lorsque le courant est très faible les rayons cathodiques se comportent comme un flux de petites entités discrètes. C’est Joseph John Thomson en 1897 qui fit un grand nombre d’expériences avec ce dispositif. Il utilisa l’électroscope pour montrer que ces rayons cathodiques étaient bien constitués de charges électriques négatives. Il montra aussi que les rayons cathodiques étaient déviés par des champs électriques et magnétiques et qu’ils se comportaient de manière balistique (c’est-à-dire comme un flux de petits projectiles). Ces petits corpuscules chargés d’électricité négative furent appelés des électrons. Les expériences de ce type, ainsi que des expériences de chimie et des expériences consistant à mesurer comment une petite goulette portant une seule charge électronique était déviée permirent de déterminer la charge électrique et la masse de l’électron :

Charge : (le 19 veut dire qu’on divise 19 fois par 10, cela donne une charge vraiment petite, le C est pour Coulomb et le signe – rappelle qu’il s’agit d’une charge négative).

Masse : kg. Cette valeur minuscule est même mille fois plus petite que la masse d’un atome.

Par diverses expériences Thomson montra que les électrons sont au sein de tous les atomes. On découvrit très vite que le nombre d’électrons dans un atome est exactement égal à la position de cet atome dans le tableau périodique des éléments classant tous les atomes en fonction de leur masse et de leurs propriétés chimiques. Ainsi, l’hydrogène a un électron, l’hélium deux électrons, etc. Un déficit (ou un excès) d’électrons donne un atome chargé positivement (ou négativement) appelé ion. La masse de l’atome reste sensiblement le même puisque l’électron est beaucoup plus léger. Après avoir enlevé tous les électrons il reste une masse chargée positivement (de même grandeur que les électrons arrachés mais positive).

Radioactivité Certains atomes sont radioactifs. C’est-à-dire qu’ils émettent des rayonnements en se transformant spontanément. Certains atomes émettent ainsi un flux d’électrons très rapides appelé rayonnement bêta.

II.3. Proton

La partie de charge positive de l’atome La partie massive positive de l’atome a une charge qui contrebalance exactement celle de l’électron. Comme on a un nombre entier d’électrons par atome, on a donc aussi un nombre entier de charges élémentaires positives par atome. Il est donc tentant de dire que l’atome, ou du moins sa partie massive, est constituée d’une particule de même charge que l’électron mais positive. Dans le cas de l’hydrogène, cette particule unique constituant l’atome avec l’électron fut appelée proton par Ernest Rutherford en 1920. C’est ce qui reste de l’atome après avoir arraché son électron. On obtient donc facilement des faisceaux de protons qui peuvent être manipulés par des champs électriques et magnétiques, permettant ainsi de vérifier qu’ils se comportent bien comme des particules individuelles. C’est ce qui est pratiqué couramment dans les accélérateurs conçus pour accélérer des particules chargées jusqu’à de grandes vitesses. Le masse et la charge du proton sont les suivants :

Charge : . Masse : kg.

Les masses des atomes Si l’essentiel de la masse des atomes est constitué de protons, on devrait s’attendre à ce que sa masse soit égale à la masse du proton fois le nombre de protons, c’est-à-dire sa position dans le tableau périodique (on parle de masse atomique et de numéro atomique). Par exemple, l’hélium ayant deux électrons et deux protons, devrait être deux fois plus lourd que l’hydrogène. Or, ce n’est pas ce qu’on constate : il est quatre fois plus lourd. Il en est de même des autres atomes, le rapport est proche d’un nombre entier, mais jamais égal au numéro atomique ni même un multiple exacte de celui-ci. Cela laisse soupçonner qu’il y a autre chose dans l’atome. Nous y reviendrons.

Radioactivité Parmi les rayonnements radioactifs, on a aussi le rayonnement alpha dont on montra rapidement qu’il était constitué d’atomes d’hélium totalement ionisés (pas d’électron, que les deux protons et le « quelque chose d’autre ») extrêmement rapides.

II.4. Structure de l’atome Le moment est venu, sur base de ce que nous savons, de voir quelle peut bien être la structure de l’atome.

L’atome de Thomson On a donc une masse chargée positivement de grande masse et de petites particules chargées négativement. L’idée naturelle est alors l’atome imaginé Thomson.

On a une grande masse chargée positivement et des électrons se baladant à l’intérieur. C’est le modèle du « pain fourré au raisins » ou du « brouillard chargé positivement contenant des électrons ». Ce modèle n’a jamais réussi à reproduire les données expérimentales et, en particulier, le fait que les atomes échangent de l’énergie lumineuse avec l’extérieur seulement pour des fréquences de la lumière bien précises (spectre des atomes).

L’atome de Rutherford Ernest Rutherford était un très grand expérimentateur qui n’avançait pas d’hypothèse ou de modèle sans confirmation expérimentale. En 1911, il pratiqua l’expérience suivante.

Il envoya un flux de particules alpha (issues d’un atome radioactif) sur une fine feuille métallique. Les particules alpha sont déviées et récoltées sur un détecteur (un film photographique par exemple). Le résultat qu’il trouva était que très peu de particules alpha étaient déviées. Mieux, connaissant les déviations observées il put calculer la taille de ce qui déviait les particules alpha. Le résultat était que l’on avait presque toute la masse de l’atome concentrée dans une zone minuscule, plusieurs milliers de fois plus petite que l’atome ! Cela s’expliquait très bien si :

Les protons, contenant l’essentiel de la masse de l’atome, étaient concentrés dans un minuscule noyau en son centre.

Les électrons étaient disposés autour. o Les électrons étant quatre mille fois plus léger qu’une particule alpha, ils n’opposent

aucune résistance au passage des particules alpha. Au pire ils se font éjecter et la particule alpha continue tout droit.

o Les électrons placés autour maintiennent la cohésion des atomes entre eux et expliquent que la taille des atomes est beaucoup plus grande que la taille du noyau.

On aboutit ainsi à un modèle de ce type :

L’atome ressemble à un petit système solaire. Une masse très importante chargée positive est au centre (les protons) et les électrons tournent autour sur des orbites, comme les planètes le font autour du Soleil. Ici, l’équivalent de la force de gravitation pour les planètes est la force électrostatique attirant des charges de signes opposés (les protons attirent les électrons). Ce modèle n’avait qu’un défaut, mais de taille. La théorie électromagnétique montre qu’une charge en rotation émet un rayonnement continu tout en tombant en spirale. Toute matière devrait rayonner en permanence avec les électrons tombant sur le noyau ! En 1913, Niels Bohr élabora un modèle mathématique de ce type d’atome en postulant simplement que cela ne se produit pas (sacré tour de passe-passe) et en ajoutant une règle (fort simple) pour le choix des orbites. Il réussit ainsi à reproduite parfaitement le spectre de l’atome d’hydrogène. Après ce succès, ce modèle progressa un peu mais piétina. Son approche par trop artificielle avec son tour de passe-passe en faisait un modèle pratiquement mort-né. La mécanique quantique née peut après, comme théorie complète et auto-suffisante, réussit à retrouver les résultats de Bohr et bien plus, y compris à montrer que les effets classiques tel que le rayonnement de la charge ne sont que des effets approximatifs ne se produisant que dans des conditions appropriées (tel qu’un courant électrique macroscopique, de grande taille par rapport à un atome). Cette théorie est la théorie la plus précise (expérimentalement), la mieux validée et la plus vaste (elle explique tout ce que l’on connait, sauf la gravité) jamais réalisée. C’est un très beau succès. Ici nous en resterons à ce modèle planétaire simple qui nous suffit puisque notre objectif est de connaitre les particules qui composent, notamment, l’atome et non l’atome lui-même.

II.5. Le neutron Revenons sur l’anomalie de masse des atomes qui sont approximativement des multiples de la masse de l’hydrogène mais où cette masse ne correspond pas à la masse totale des protons. Cette anomalie est maintenant concentrée dans le noyau de l’atome et ne concerne pas du tout les électrons.

Découverte du neutron Des expériences réalisées par Bothe et Becker puis complétées par Frédéric et Irène Joliot-Curie avaient montrer l’existence, pour certains atomes radioactifs, d’un rayonnement sans aucune charge électrique mais extrêmement pénétrant. Chadwick en 1932 analysant ces données expérimentales avec précision montra que ce rayonnement était composé d’un flux de particules neutres, de masse assez proche du proton et qu’il nomma naturellement neutron. La mesure ultérieure de la masse du neutron montra que sa masse était seulement 1.008982 fois celle du proton (même pas un pourcent en plus), soit kg.

Interaction forte Les protons étant chargés positivement et étant collés les uns contre les autres au sein d’un noyau de très petite taille, la répulsion électrostatique est énorme. Le fait que les protons restent ensemble au sein du noyau y compris avec des particules neutres (les neutrons) que rien ne prédispose a priori à rester là, incite à penser qu’il existe une nouvelle interaction liant ces particules. On l’appelle interaction forte ou interaction nucléaire. Elle tire son nom de « forte » du fait qu’elle est assez intense pour retenir les protons malgré la répulsion. Cette force extrêmement intense explique aussi la taille très réduite du noyau. Enfin, en se liant avec une force aussi intense, les protons et les neutrons doivent dégager énormément d’énergie (ce que l’on constate d’ailleurs dans la fusion thermonucléaire utilisée dans les bombes du même nom) et comme Einstein a montré que l’énergie et la masse sont liés, (où c est la vitesse de la lumière dans le vide), cela implique que le noyau doit avoir une masse légèrement plus faible que la somme des masses des neutrons et protons. C’est effectivement ce qui est constaté, expliquant les derniers petits écarts de masse, et de surcroît, cet écart permet justement de calculer l’énergie de liaison due à l’interaction nucléaire. Notons que les neutrons sont très pénétrant car, sans charge électrique, ils ne sont pas repoussés par les protons et atteignent facilement le noyau. Cela en fait des « sondes » de choix pour étudier le noyau de l’atome mais cela explique aussi que ce type de rayonnement est extrêmement dangereux pour la santé.

Les isotopes Les assemblages moléculaires étant dû au rapprochement des atomes, et les électrons étant en périphérie de l’atome, les liaisons chimiques sont uniquement dues aux électrons. Leur nombre étant lié à celui des protons, il ne reste qu’une inconnue : le nombre de neutrons. En effet, un même élément chimique peut avoir divers nombre de neutrons. On appelle cela des isotopes. Donnons les isotopes les plus simples :

L’hydrogène possède un seul proton et un électron.

Le deutérium possède un proton et un neutron (et un électron). Lorsqu’il remplace l’hydrogène dans une molécule d’eau, on parle d’eau lourde (avec deux atomes de deutérium, cette eau est 10% plus dense que l’eau ordinaire).

Le tritium possède deux neutrons et un proton (et un électron). Il est radioactif (émission bêta) et se transforme en hélium 3. Il est utilisé en médecine comme traceur de l’activité impliquant des atomes d’hydrogène qu’il remplace.

L’hélium 4, le plus abondant, possède deux neutrons, deux protons et deux électrons. L’hélium 3, assez rare dans la nature, possède deux protons et un neutron (et deux

électrons). Les isotopes d’un même élément ayant les mêmes électrons ont aussi mêmes propriétés chimiques. Ils sont donc difficiles à séparer. On peut les séparer en utilisant de petites différences de propriété physique grâce à leur petite différence de masse (vitesses de certaines réactions chimiques, température d’ébullition, décantation dans une centrifugeuse). Les installations de séparation restent complexes et couteuses.

La particule alpha La particule alpha est un noyau d’hélium, plus exactement d’hélium 4, c’est-à-dire que cette particule est en fait composée de deux protons et deux neutrons.

III. Le photon

III.1. Le champ électromagnétique

Champs électriques et magnétiques On a vu que les charges agissaient les unes sur les autres. Les charges de même signe se repoussent, et celles de charges opposées s’attirent. On peut représenter ce phénomène par l’action d’un champ (une grandeur prenant une valeur en tout point de l’espace) que l’on nomme champ électrique.

En chaque point le champ électrique est caractérisé par une intensité et une direction, ce qu’on peut représenter par une flèche. On a vu également que les aimants créaient un champ magnétique. En fait, un simple courant électrique crée aussi un champ magnétique.

Mouvements et variations Une charge électrique au repos crée un champ électrique, mais pas de champ magnétique. Un courant crée un champ magnétique. Mais un courant électrique ce n’est rien d’autre que des charges électriques en mouvement. Donc, une charge électrique en mouvement crée un champ électrique et un champ magnétique. De même, un aimant qui se déplace induit aussi un champ électrique. Ce champ électrique pouvant agir sur des charges électriquse peut induire un courant électrique. C’est sur cette base que fonctionnent les dynamos et les alternateurs. Cela montre en plus que les champs électriques et magnétiques sont intimement liés. La variation de l’un implique l’apparition de l’autre. Toutes ces relations entre charges, courant, champ électrique et magnétique sont magnifiquement décrites par les équations de Maxwell de l’électromagnétisme.

Solution ondulatoire Ces équations admettent des solutions ondulatoires. C’est-à-dire des valeurs des champs qui oscillent tout en se propageant. Un peu comme des vagues, si ce n’est qu’ici, bien entendu, on n’a pas d’eau. C’est juste la valeur des champs qui varie.

C’est ce qu’on appelle une onde électromagnétique. Elle se déplace à 300000 kilomètres en une seconde et peut transporter de l’énergie et de l’information.

Le spectre électromagnétique Il y a deux principales caractéristiques à l’onde électromagnétique ci-dessus : son intensité (la hauteur des ondulations) et sa longueur d’onde (la distance entre les ondulations). On peut aussi parler de sa fréquence (le nombre d’ondulations qui passent par seconde, mesurée en Hertz noté Hz). Fréquence, vitesse et longueur d’onde sont liés par une relation simple. L’ensemble des longueurs d’onde (ou des fréquences) forme ce que l’on appelle le spectre électromagnétique.

Les manifestations physiques des différentes longueurs d’onde sont différentes car ces ondes électromagnétiques interagissent différemment avec la matière. Mais il s’agit bien toujours d’ondes électromagnétiques. On trouve ainsi une grande diversité dans le spectre électromagnétique. Aux grandes longueurs d’ondes, du centimètre à plusieurs kilomètres, on trouve les ondes radios. Puis pour des longueurs d’onde de l’ordre du millionième de mètre, on trouve les infrarouges, puis la lumière visible et les ultraviolets. Pour des longueurs d’onde encore plus courte, on trouve les rayons X puis les rayons gamma. Ces derniers, très pénétrant et très nocifs, constituent aussi une forme de rayonnement radioactif.

III.2. L’effet photo-électrique L’effet photo-électrique est le phénomène ou des électrons sont arrachés d’une substance (métal ou semi-conducteur) par un rayonnement lumineux, en général des ultraviolets.

L’explication de ce phénomène à l’aide de la théorie électromagnétique a tenu les scientifiques en échec car un problème épineux se posait : si on calcule l’énergie reçue par la surface métallique et que l’on considère la minuscule fraction de cette énergie arrivant sur un atome, celle-ci est infiniment trop faible pour arracher un électron. On pourrait imaginer que l’énergie s’accumule jusqu’à être suffisante mais outre que les électrons sont immédiatement arrachés dès l’arrivée de l’onde lumineuse, cette idée conduit à un arrachement massif de tous les électrons du métal dès que l’énergie s’est accumulée partout avec suffisance, un phénomène qui n’est jamais observé.

Schéma expérimental Pour étudier ce phénomène, on utilise le dispositif suivant appelé une triode.

Une cathode est portée à un potentiel négatif. Cette cathode n’est pas chauffée et les électrons ne quittent pas aisément sa surface (sauf si on atteint la tension de claquage qui est d’environ 100000 V par mètre dans le vide ou dans l’air sec). L’anode est portée à un potentiel positif et attire les électrons. Les électrons sont arrachés par la lumière ultraviolette et captés par l’anode. Une grille portée à un potentiel négatif réglable repousse les électrons ce qui les ralentit ou même les arrête. S’ils ne sont pas arrêtés, ils continuent sur leur lancée à travers la grille et arrivent sur l’anode. Divers instruments permettent de mesurer les tensions, le courant électrique passant par l’anode et l’intensité de la lumière ultraviolette.

Expérience La tension de grille permet de connaitre l’énergie des électrons arrachés à la cathode. En effet, ils sont à la fois attirés par l’anode et repoussé par la cathode. Connaissant la valeur exacte du potentiel auquel ils sont soumis, on peut calculer l’énergie acquise ou perdue par les électrons durant leur trajet (c’est simplement la tension fois la charge électrique d’un électron). Si la tension négative de la grille est suffisante, l’électron perd de l’énergie durant son trajet et il ne pourra atteindre l’anode, et produire un courant électrique mesurable, que si l’énergie des électrons est suffisante au départ. Dans l’expérience, on peut aussi faire varier la longueur d’onde (ou, ce qui revient au même, la fréquence) et l’intensité des ultraviolets. On peut aussi mesurer l’intensité du courant, c’est-à-dire le nombre d’électrons arrachés à la cathode. Einstein en 1905 analysa les résultats de ces expériences. L’interprétation qu’il fit de ce phénomène le conduisit directement au prix Nobel.

Résultat en faisant varier l’intensité Gardons la longueur d’onde des ultraviolets fixe et faisons varier l’intensité de la lumière, c’est-à-dire l’énergie totale envoyée sur la cathode. Traçons deux courbes : le nombre d’électrons arrachés (par seconde) et l’énergie des électrons en fonction de l’intensité.

On constate que l’énergie des électrons est constante. Celle-ci ne dépend donc pas de l’intensité des ultraviolets. Même si on fournit une énergie lumineuse énorme, l’énergie des électrons ne varie pas. Par contre, le nombre d’électrons arrachés augmente proportionnellement à l’énergie des ultraviolets. L’énergie supplémentaire que l’on peut apporter avec les ultraviolets ne sert qu’à augmenter le nombre d’électrons arrachés.

Résultat en faisant varier la fréquence des UV Gardons maintenant une intensité comparable mais faisons varier la longueur d’onde des ultraviolets. Traçons à nouveau l’énergie des électrons et le nombre d’électrons en fonction de la fréquence des ultraviolets.

On constate qu’aucun électron n’est arraché à moins d’atteindre une fréquence minimale . Au-delà, l’énergie des électrons augmente proportionnellement avec la fréquence des ultraviolets. On a aussi, dès le début, un grand nombre d’électrons arrachés puis qui diminue avec la fréquence. Ce résultat est assez logique car on garde l’intensité des ultraviolets constante, et au fur et à mesure que la fréquence augmente, l’énergie communiquée à chaque électron augmente. L’énergie totale ne suffit donc plus à arracher autant d’électron qui doivent se partager une plus grosse part du gâteau.

Interprétation On peut interpréter les résultats comme suit.

Pour arracher un électron, il faut d’abord lui communiquer une certaine énergie qui sert à lui faire quitter l’atome auquel il est attaché (ou le réseau cristallin pour un métal et un électron se déplaçant librement dans ce métal). Le reste de l’énergie sert donc à accélérer l’électron et c’est la valeur des électrons mesurée dans l’expérience. Si l’on note E l’énergie communiquée à l’électron on a :

L’énergie communiquée à l’électron est proportionnelle à la fréquence des ultraviolets. La constante de proportionnalité est notée h, elle s’appelle constante de Planck. Cette constante de Planck avait été trouvée par celui-ci dans l’étude du rayonnement thermique. Il avait retrouvé les résultats expérimentaux en supposant que les atomes n’émettaient du rayonnement que par petits paquets d’énergie où est la fréquence du rayonnement.

On a donc . Lorsque l’on augmente l’intensité des ultraviolets, on augmente l’énergie totale mais pas

l’énergie d’un « paquet » . On a simplement plus de paquets d’énergie permettant d’arracher plus d’électrons.

Photons Il est tentant d’interpréter ces paquets d’énergie comme des particules. Ce sera fait et le nom de photon sera donné aux particules lumineuses. L’énergie d’un photon est très faible mais de l’ordre de l’énergie d’un électron dans les atomes et molécules dans la gamme des longueurs d’onde allant de l’optique aux ultraviolets. Cela explique l’importance de ces longueurs d’onde dans les mécanismes biochimiques tel que la vision ou la photosynthèse. De plus, l’énergie totale d’un photon peut être aussi petite que l’on veut. Il suffit pour cela d’avoir une fréquence très petite. Comme normalement l’énergie minimale est , cela signifie que la masse du photon est nulle. Ce que confirment d’ailleurs la théorie de l’électromagnétisme ainsi que d’autres expériences (on a pu le vérifier avec une précision extrême). Le photon est donc une particule sans masse. De plus, on voit que la lumière se comporte à la fois comme une onde électromagnétique et comme une particule. Ce sont deux aspects, deux visages d’un même objet au comportement un peu plus compliqué qu’on aurait pu s’y attendre. Ce double aspect « onde et particule » sera étendu par Louis de Broglie à toutes les particules et remarquablement confirmé par la mécanique quantique et des expériences nombreuses (par exemple, la construction des microscopes électroniques utilisant le caractère ondulatoire des électrons).

III.3. Diffusion Compton La diffusion de la lumière est une dispersion de la lumière par des objets de petite taille. Ce phénomène est bien connu et prédit par la théorie ondulatoire des ondes électromagnétiques et peut s’appliquer avec des poussières et des atomes pour de la lumière dans le domaine de la lumière visible, infrarouge ou ultraviolette. Ce phénomène explique la couleur bleue du ciel (dispersion du bleu par les molécules d’air) ou le ciel rougeoyant du soir (dispersion du rouge par des poussières). A plus haute énergie, cette approche ondulatoire ne convient plus à cause du caractère corpusculaire mis en évidence ci-dessus. C’est le domaine de la diffusion Compton. C’est un phénomène de diffusion du rayonnement gamma sur des particules chargées avec changement de la fréquence du rayonnement. Il fut découvert théoriquement par Compton en 1922. La vérification expérimentale était difficile vu les énergies en jeu et la difficulté à mesurer avec précision le rayonnement gamma (il n’existe ni miroir ni lentille à rayons gamma). Il fallut attendre les années 1950 pour avoir une confirmation qui montra, si l’on en doutait encore, le caractère « particule » du photon.

Description On peut représenter schématiquement la diffusion d’un photon sur un électron comme suit.

Le calcul de l’effet Compton nécessite de prendre en compte l’interaction détaillée du photon et de l’électron. Ainsi, en première approximation, on peut considérer que l’électron absorbe le photon puis le réémet :

Il faut aussi prendre en compte la situation où on a l’ordre inverse des deux événements. Le résultat est la somme des deux processus. Les calculs effectués (complexes) correspondent parfaitement aux résultats observés.

Boules de billard Mais on peut aussi éviter ces calculs compliqués en se contentant du bilan de l’interaction. Le premier schéma décrit ci-dessus l’équivalent du choc de deux boules de billard. En fonction des directions des deux particules, en utilisant les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement (la masse fois la vitesse pour l’électron et, comme la relativité le montre, l’énergie divisée par la vitesse de la lumière pour le photon), on peut calculer la variation de la fréquence du photon en fonction de la direction de diffusion. Le résultat correspond parfaitement à ce qui est observé. Ce qui confirme de manière éclatante qu’à ces énergies le photon se comporte vraiment comme un « petit projectile ».

IV. Compléter la petite famille

IV.1. Le neutrino

Radioactivité bêta Revenons sur la radioactivité bêta. Par exemple, un noyau de tritium se désintègre en émettant un électron et en se transformant en hélium 3.

Ce processus est lié à l’instabilité du neutron qui se désintègre, sauf lorsque la liaison est assez forte dans le noyau (dans l’hélium, par exemple) pour stabiliser le neutron (le processus de désintégration serait globalement désavantageux du point de vue énergétique).

Spectre de l’émission En utilisant la loi de conservation de l’énergie, et puisque l’on a un atome bien précis au début et à la fin, avec une différence d’énergie bien précise, l’électron émit doit avoir une énergie bien précise (en tenant compte du léger recul du noyau). Mais ce n’est pas du tout ce qui est obseré.

Si l’on trace le nombre d’électrons émis par un matériau radioactif en fonction de l’énergie des électrons émis, on obtient un spectre d’énergie assez large. En fait, avec le léger recul du noyau, un spectre est bien possible, mais le calcul montre qu’il doit être très étroit. Ceci est dû au fait que les protons et neutrons sont beaucoup plus massifs que l’électron et remuent « à peine » lorsque l’électron est éjecté.

Le neutrino Pour résoudre cette contradiction, deux solutions s’offraient aux physiciens :

Soit on considère que la conservation de l’énergie est violée. Une hypothèse radicale en contradiction avec tout ce que l’on sait en physique.

Soit on considère qu’il y a une autre particule qui vient jouer les trouble-fête.

Dans ce processus à quatre, la nouvelle particule emporte de l’énergie et selon les angles d’émission, on peut avoir une énergie variable répartie entre l’électron et cette particule, expliquant le spectre observé. Ce fut Pauli qui posa cette hypothèse en 1930. La particule émise fut appelée neutrino ou « petit neutre » car elle devait être sans charge électrique. La raison de cette absence de charge électrique est double : le neutron n’a pas de charge électrique, la charge électrique étant une grandeur conservée, on doit également avoir une charge totale nulle à la fin. Le proton et l’électron ayant des charges électriques opposées, le neutrino doit avoir une charge nulle pour que le totale soit neutre. La deuxième raison est que cette particule doit être très difficile à détecter puisque les expériences ne semblaient pas mettre en évidence la présence d’une autre particule autrement que par cette anomalie dans le spectre de l’électron.

Découverte Les premiers réacteurs nucléaires, nés pendant la seconde guerre mondiale, permirent la production intense de neutrinos à travers les processus de réaction nucléaire. C’est de cette manière que le neutrino pût être détecté directement en 1956 par les rares interactions qu’ils produisent dans des atomes placés sur leur chemin. Ces neutrinos sont vraiment très « fantomatiques ». Des milliards de neutrinos émis par le Soleil vous ont traversé le temps de lire cette section et vont traverser toute la Terre, de part en part, très peu étant arrêté par la matière. Pour expliquer le processus de désintégration, qui ne fait pas intervenir les forces électromagnétiques ni fortes (le neutrino y est insensible) on a fait intervenir une nouvelle interaction appelée interaction faible. Notons qu’on peut aussi avoir une estimation de sa masse à l’aide des processus faisant intervenir le neutrino, comme dans la désintégration bêta. Ces résultats sont compatibles avec une masse nulle. Mais nous reviendrons sur ce point. Le neutrino est donc (à ce stade) une particule sans charge électrique, sans masse et insensible aux forces électromagnétiques et à l’interaction forte. Mais sensible à l’interaction faible dont la faiblesse explique les très rares interactions du neutrino avec la matière.

IV.2. Fermions et bosons Le moment est venu de faire une pause. Avant de continuer, divisons l’ensemble des particules en deux grandes classes et quelques autres critères. Cela facilitera le classement mais nous apportera aussi pas mal d’informations sur les propriétés des particules élémentaires. Les deux grandes classes se distinguent par leurs propriétés statistiques. C’est-à-dire leur comportement lorsqu’elles se trouvent en grand nombre. L’existence de ces deux classes est suggérée par la mécanique quantique.

Fermions On trouve dans la nature des particules appelées fermions qui ont la particularité de ne pas pouvoir être dans le même état. Deux particules du même type ne sont jamais dans le même état (même position, même énergie, etc.) C’est ce que l’on appelle le principe d’exclusion de Pauli qui fut suggéré la première fois par Pauli en 1925. Les propriétés statistiques d’une grande collection de particules de ce type sont décrites par la statistique de Fermi-Dirac et les particules sont donc appelées des fermions. Parmi ces particules, on a déjà la plupart de celles que nous avons vue : électron, proton, neutron, neutrino.

Bosons L’autre grande de particules se comporte à l’opposé. Ces particules ont un comportement grégaire, elles « aiment » être dans le même état. Pour de pas attribuer une intention à ces particules, il est plus correct de dire ceci : si une particule est déjà dans un état X, alors la probabilité qu’une particule identique passe dans l’état X est plus grande que si elle avait été seule. Plus il y a de particules dans l’état X et plus de nouvelles particules identiques ont de chance de basculer aussi dans cet état. La statistique qui décrit ce comportement s’appelle statistique de Bose-Einstein et les particules sont donc appelées des bosons. Un exemple de boson est le photon.

Le spin Les particules peuvent posséder ce que l’on appelle un moment angulaire. Un grand mot simplement pour dire que la particule a la possibilité de tourner sur elle-même comme une toupie. La mécanique quantique montre que ce moment angulaire ne peut pas être quelconque pour une particule. Les différents types de particules sont :

Les particules ne pouvant pas avoir de moment angulaire. Elles sont dites scalaires ou posséder un spin 0.

Les particules pouvant avoir un moment angulaire ou

(mesuré le long d’un axe

quelconque). est la constante de Planck divisée par 2 fois le nombre pi. On dit qu’elles ont un spin 1/2. C’est le cas des électrons, protons, neutrons et neutrinos.

Les particules pouvant avoir un moment angulaire nul, ou , ce sont les particules vectorielles de spin 1. Un exemple est le photon. Du fait de sa masse nulle, la relativité permet de montrer que son moment angulaire n’est jamais nul.

Et on peut continuer ainsi avec des spins de valeur 3/2, 2, 5/2, etc.

Fermions et atomes Nous avons vu que les électrons se situaient autour de l’atome sur certaines orbites. La mécanique quantique permet de montrer que ces orbites ne sont pas quelconques. Seules certaines orbites sont autorisées. Elles sont identifiées par le nombre quantique n. n = 0 pour l’orbite la plus basse avec l’énergie la plus faible, puis n = 1, 2, 3,… De plus, les électrons sont des ferions. Ils ne peuvent pas être à deux dans le même état. Ce qui implique que plusieurs électrons ne peuvent pas se mettre n’importe comment autour de l’atome. Montrons quelques exemples :

Pour l’hydrogène, c’est simple, il n’y a qu’un seul électron. Il se place donc sur l’orbite n = 0 d’énergie la plus basse. Pour l’hélium, le deuxième électron peut aussi se mettre sur la même orbite. L’électron possède en effet un spin égal à 1/2. Il peut donc se trouver dans deux états de moment angulaire : -1/2 et +1/2. Par conséquent, deux électrons peuvent se placer sur la même orbite à conditions qu’ils aient des états de spin opposés. Un troisième électron, pour le lithium, ne peut plus se mettre sur la première orbite. On dit que l’orbite est entièrement occupée. S’il voulait s’y placer, il se trouverait forcément dans le même état de spin qu’un des deux électrons déjà présent et c’est interdit par la mécanique quantique. Il doit donc se trouver dans un autre état orbital et se place sur l’orbite n = 1 qui a un peu plus d’énergie. On peut ainsi continuer le remplissage avec d’autres électrons. La situation se complique un peu car la mécanique quantique montre que la deuxième orbite, par exemple, correspond en réalité à quatre états différents (qu’on pourrait qualifier grossièrement d’orientations) et donc huit électrons peuvent y prendre place. Ce remplissage progressif permet d’expliquer de nombreuses choses :

La taille des atomes. Les électrons périphériques étant les premiers en contact entre deux atomes, leur répartition

explique les liaisons chimiques. Le remplissage progressif explique le caractère périodique des propriétés chimiques des

éléments et donc le tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Ce premier travail de classement et d’analyse des propriétés chimiques des atomes fut réalisé la première fois par Bohr.

Notons que les neutrons et protons, dans le noyau, étant aussi des fermions, une structure analogue y existe aussi (mais beaucoup plus complexe d’autant qu’elle fait intervenir deux interactions différentes : l’interaction électromagnétique et l’interaction nucléaire ou forte). De ce fait, on dit parfois que les fermions sont les particules de la matière. Mais on verra aussi des fermions « exotiques » qui ne font pas partie des atomes.

Laser Le photon étant un boson, il a tendance à rejoindre d’autres photons dans le même état. Supposons que l’on ait des atomes dans un état excité (les électrons sont sur des orbites d’énergie plus élevée). L’atome a tendance à se désexcité spontanément (les électrons reviennent sur leurs orbites de base comme décrit plus haut) en émettant un rayonnement électromagnétique sous forme de photons. Ce processus d’émission spontanée prend un certain temps. Mais si un photon a déjà été émis, les autres atomes vont se désexcité beaucoup plus rapidement en émettant un photon identique, et ce d’autant plus vite que d’autres photons sont déjà présent. Cette réaction en chaîne s’appelle émission stimulée et fut découverte théoriquement par Einstein. Ce mécanisme permet de réaliser l’effet laser qui produit des faisceaux lumineux étroits (tous les photons vont dans la même direction), très intenses (ils sont tous émis en même temps), monochromatiques (une seule longueur d’onde) et cohérent (les ondes électromagnétiques correspondant à chaque photon oscillent de concert). Ces propriétés exceptionnelles que l’on ne retrouve pas dans d’autres sources lumineuses comme l’éclairage domestique font du laser un outil précieux dans de très nombreuses applications. Suite à ce comportement, on dit parfois que les bosons constituent le rayonnement (par opposition à la matière). Bien que, nous l’avons vu avec les électrons, les fermions présentent aussi un caractère ondulatoire. On dit aussi parfois que les bosons transmettent les forces, étant donné que le photon transmet l’interaction électromagnétique. Mais il existe aussi des bosons ne transmettant pas de force. Il existe également des structures composites, comme les noyaux et les atomes. La mécanique quantique permet aussi de leur affecter un spin (basé sur le spin des particules qui les composent) et donc un caractère fermion ou boson. Par exemple, le noyau de deutérium est un boson, le noyau d’hélium 3 est un fermion, tandis que les atomes de deutérium et d’hélium 3 sont des fermions. Le changement dans le cas du deutérium lorsque l’on considère le noyau ou l’atome vient du fait que dans ce dernier il y a aussi un électron. La règle est assez simple : si on a un nombre impair de fermions dans les particules composant l‘ensemble, alors l’ensemble est un fermion, sinon c’est un boson.

Moment magnétique On a vu qu’un courant électrique produisait un champ magnétique. On s’attend donc à ce qu’une charge électrique en rotation (ce qui équivaut à un minuscule courant circulaire) produise aussi un champ magnétique. La particule se comporte alors comme un petit aimant dont l’orientation dépend de l’état de spin. Ce caractère est responsable de comportements assez complexes observés avec les atomes soumis à des champs magnétiques (démultiplication du spectre d’émission d’un atome ou effet Zeeman).

Il est possible de calculer le moment magnétique en fonction de la charge électrique et du moment angulaire. Le résultat trouvé pour l’électron est en parfait accord. On constate aussi expérimentalement que le neutrino n’a pas de moment magnétique détectable. Par contre, on observe un écart important entre théorie et expérience pour le proton. Plus encore, le neutron possède aussi un moment magnétique alors qu’il ne possède même pas de charge électrique. Ces comportements « anormaux » sont le signe, comme le verrons bientôt, que le proton et le neutron sont des particules composites avec une structure interne.

Spin et statistique Il existe un théorème complexe utilisant la mécanique quantique et la relativité qui montre qu’il existe un lien entre le spin et le comportement statistique. C’est le théorème spin-statistique. Ainsi, les particules avec un spin demi-entier (comme l’électron) doivent être des fermions et celles avec un spin entier (comme le photon) doivent être des bosons.

IV.3. L’antimatière

Impulsion L’impulsion ou quantité de mouvement est donné en physique classique par la masse fois la vitesse : p = mv En relativité la relation est plus compliquée mais peu importe à ce stade. L’énergie cinétique d’une particule peut s’exprimer avec l’impulsion. On a :

Cette relation et quelques règles permettent d’établir, en mécanique quantique, l’équation décrivant l’évolution d’une particule comme l’électron. On l’appelle l’équation de Schrödinger. Elle permet, par exemple, une description précise de l’atome d’hydrogène.

Version relativiste En relativité, la relation entre énergie et impulsion d’écrit : En utilisant les mêmes règles que ci-dessus, on aboutit à une version relativiste de la description quantique de l’électron. On l’appelle équation de Dirac.

Energies négatives La dernière relation a toutefois quelque chose d’assez particulier. Considérons une particule au repos. Dans ce cas, p = 0. La relation relativiste devient donc . Cette relation a deux solutions possibles : et . La deuxième solution, l’énergie négative, ne semble pas avoir de sens. Et, en effet, en physique classique on peut tout simplement ignorer cette solution. L’ensemble reste cohérent car tout état d’énergie positive conduit à un autre état d’énergie positive.

Mais en mécanique quantique, la situation est différente. L’équation de Dirac, par exemple, montre que les états d’énergie positive et ceux d’énergie négative sont couplés. On ne peut plus ignorer ces derniers. Si l’on applique, par exemple, l’équation de Dirac à l’atome d’hydrogène, on retrouve les solutions de l’équation de Schrödinger avec des corrections relativistes très bien vérifiée par l’expérience. Mais à côté des états d’énergie positive, on trouve des états tout à fait analogue mais d’énergie négative.

En plus des changement d’états habituels d’un état excité d’énergie positive vers un état d’énergie plus faible positive avec émission d’un photon, l’électron peut passer dans un état d’énergie négative avec également émission d’un photon. Ici l’énergie du photon est avec m la masse de l’électron (l’énergie correspond à un rayonnement gamma). Puis l’électron peut continuer à descendre indéfiniment dans des états d’énergie de plus en plus négative. Non seulement l’atome serait instable mais il émettrait aussi indéfiniment de l’énergie. Ce résultat absurde est, bien entendu, non observé.

La mer de Dirac Face à cette hypothèse, Dirac fit en 1928 une hypothèse : tous les états d’énergie négative sont déjà occupés par des électrons. Comme les électrons sont des fermions, soumis au principe d’exclusion de Pauli, un électron d’énergie positive ne peut passer dans un état d’énergie négative car il est occupé. Cette solution est assez bizarre car elle postule l’existence d’électrons partout, en tout point, une infinité d’électrons que, de plus, on ne sait pas détecter. C’est la mer de Dirac. De plus, cette solution

ne marche pas pour les bosons qui ne sont pas soumis au principe d’exclusion de Pauli alors que la théorie montre qu’ils doivent faire face au même problème. La théorie quantique des champs, en passant à une théorie à nombre variables de particules, a permis de formuler de manière beaucoup plus satisfaisante (mais beaucoup plus technique) une solution à ce problème. Mais ici, la mer de Dirac, très intuitive, nous suffira.

Antiélectron Que se passe-t-il si on excité un électron de la mer de Dirac ? Par exemple, on peut lui envoyer un rayon gamma d’énergie suffisante (au moins ).

Dans ce cas, l’électron peut être excité et acquérir une énergie positive. On a apparition d’un électron libre. De plus, on a aussi formation d’un trou dans la mer de Dirac. Les électrons voisins peuvent venir combler ce trou (par exemple en se déplaçant sous l’influence d’un champ électrique) et celui-ci va donc se déplacer en sens inverse. Le trou se comporte comme une particule de même masse que l’électron, d’énergie positive et de charge électrique identique à celle de l’électron mais de signe opposé. L’effet inverse est possible.

L’électron peut retomber dans le trou (ou plutôt il change d’état pour occuper un état d’énergie négative libre) en émettant un photon (en fait, pour des raisons relatives aux lois de conservation de la quantité de mouvement, on doit avoir au moins deux photons d’énergie chacun). On dit que le trou et l’électron se sont annihilés. Dirac postulat l’existence d’une particule de ce type. Au début, on a pensé qu’il s’agissait du proton, sa masse importante résultant de « l’inertie de la mer de Dirac », mais outre le fait que l’électron et le proton ne s’annihilent pas mutuellement, le proton a aussi diverses propriétés totalement différentes de l’électron (sa sensibilité aux interactions nucléaires, sa structure composite). Dirac postula ainsi l’existence d’une nouvelle particule, appelé antiélectron (« anti » rappelant qu’elle peut s’annihiler avec l’électron) ou positron (en référence à sa charge électrique positive). Le positron fut observé directement la première fois par Carl Anderson en 1928. Leur annihilation produisant des photons gammas d’énergie précise, ils constituent une véritable signature utilisée par exemple en astronomie pour la détection de phénomènes violents (explosions d’étoiles, par exemple).

Antimatière La solution plus générale et plus précise au problème de Dirac et l’application à d’autres particules conduit aussi à des antiparticules. Cela donne : l’antiproton, l’antineutron et l’antineutrino. Toutes ces antiparticules ont été observées. L’antiproton fut détecté en 1955 par Emilo Segrè à l’aide du grand accélérateur de particules de Berkeley en Californie. Cet accélérateur communiquait une énergie très importante aux particules avant de provoquer leurs collisions. L’énergie à fournir, , pour créer un antiproton étant en effet extrêmement importante du fait de la masse élevée du proton (mille fois plus qu’avec l’électron). Notons que dans la désintégration bêta, on assigne une charge faible (en raison de l’interaction du même nom) à l’électron et le neutrino. Pour des raisons de conservation de la charge, la réaction de désintégration du neutron doit être : Neutron proton + électron + antineutrino En toute honnêteté, peu importe celle qu’on appelle « anti » (on aurait pu dire que le neutrino avait une charge faible de signe opposé à l’électron). Ce sont juste les mêmes particules avec les charges opposées, ce sont des particules comme les autres. Les choix de quelle est la particule et laquelle est l’antiparticule est donc juste un choix de commodité et même parfois un choix totalement arbitraire. Notons que le proton et l’antiproton s’annihilent mais pas seulement en photons. L’énergie est suffisante pour créer d’autres particules et l’annihilation crée des électrons, des positrons, des neutrinos,… 85 % de l’énergie se transforme photons et neutrinos. Une antiparticule est donc caractérisée par la même masse, le même spin mais des charges opposées à la particule correspondante. Le photon ne portant aucune charge, il est sa propre antiparticule. Il n’existe pas d’antiphoton. On peut associer un antiproton à un positron pour former un antiatome. Ici avec un seul antiproton cela donnerait de l’antihydrogène. Le CERNE produit et étudie les propriétés de tels antiatomes avec un système de stockage allant jusqu’à 50000 antiatomes (la conservation est difficile car le moindre contact avec un atome ordinaire provoque une annihilation).

Positronium Puisque le positron a la même charge que le proton, on pourrait imaginer le substituer au proton dans un atome d’hydrogène. On obtient alors un pseudo-atome formé d’un électron et d’un positron tournant l’un autour de l’autre. On l’appelle le positronium. Cette structure est fort instable car l’électron s’annihile très vite avec le positron. Mais l’avantage de ce système est qu’il est très simple. Il est donc possible de calculer ses propriétés avec une très grande précision et il a été largement étudié expérimentalement par les physiciens.

IV.4. Un premier panorama Nous sommes arrivés à un stade où il est utile de dresser un premier tableau des particules découvertes.

Classe Particule Masse Spin Charge Antiparticule

Fermions Electron kg 1/2 -1 Positron

Neutrino 0 1/2 0 Antineutrino

Proton kg 1/2 +1 Antiproton

Neutron kg 1/2 0 Antineutron

Bosons Photon 0 1 0 -

La charge a été donnée en unité de charge élémentaire . Les antiparticules ont une charge opposée à la particule.

V. Des découvertes à la pelle

Les accélérateurs de particules Nous avons cité plusieurs fois les accélérateurs de particules. Disons quelques mots sur ces appareils qui se sont fortement développés après la seconde guerre mondiale. Décrivons dans les grandes lignes le fonctionnement du type d’accélérateur le plus courant, l’accélérateur circulaire ou cyclotron.

Des particules chargées électriquement (électrons, positrons, protons,…) sont envoyés dans l’anneau (sous vide poussé pour éviter que des molécules ne viennent percuter les particules). La trajectoire des particules est maintenue circulaire grâce à des électroaimants disposés tout autour (un seul a été représenté). Des appareils utilisant des champs électriques ou électromagnétiques (appelés klystron) sont disposés le long de la trajectoire afin d’accélérer les particules en leur communiquant une grande quantité d’énergie. Après avoir fait plusieurs tours, les particules atteignent une grande vitesse. Elles sont alors envoyées sur une cible (par exemple une plaque de métail) où se produit la collision. Celle-ci produit des gerbes de particules de toute sorte qui spont analysées par de nombreux détecteurs de différentes types.

Toujours plus grand Comment augmenter la puissance de cet appareil ? La première amélioration évidente est d’utiliser deux faisceaux de particule, chacun tournant dans un sens. La collision se produit à un endroit choisi de l’anneau en déviant légèrement les faisceaux. Ainsi, la collision frontale permet de doubler l’énergie de la collision. Pour avoir plus d’énergie, il suffit d’en injecter plus dans les particules à chaque tour ou sur plus de tours. Mais les particules allant de plus en plus vite, deux limites se posent :

Plus la particule va vite et plus la force centrifuge est importante. Les aimants courbant les trajectoires des particules doivent alors être de plus en plus puissants.

Une trajectoire chargée qui suit une trajectoire courbe rayonne (dans les ondes radios) en perdant de l’énergie et en ralentissant. La limite est atteinte lorsqu’elles perdent autant d’énergie à chaque tour qu’on n’arrive à en injecter avec les klystrons.

Augmenter la puissance des aimants et des klystrons a ses limites. Une solution simple consiste donc à agrandir l’anneau afin que la courbe de l’anneau soit moins accentuée. En procédant de la sorte, on est vite passé de cyclotrons de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres. L’accélérateur le plus puissant au monde actuellement est le LHC à la frontière franco-suisse. Il est placé dans un tunnel souterrain de 278 km de long. Les électroaimants fonctionnent avec des supraconducteurs (pas de résistance électrique) en fils de niobium refroidis à l’hélium liquide à des températures de l’ordre de -270 degrés. Il accélère deux faisceaux de protons jusqu’à des énergies de plusieurs teraélectronsvolts (un milliard d’électronvolt, un électron volt étant l’énergie acquise par un électron sous une tension de un volt). Cet accélérateur de tous les superlatifs propulse les protons à vitesse proche de la vitesse de la lumière.

Résultats Alors que le tableau précédent prenait seulement sa forme définitive, les physiciens découvraient de nombreuses autres particules. Au fur et à mesure que l’on commençait à les découvrir et les comprendre, de nouvelles questions se posaient nécessitant de sonder des domaines à des énergies de plus en plus grande. D’où cette course à la puissance. C’est dans le monde étrange de ces nombreuses particules que nous vous convions maintenant.

V.1. Des électrons lourds

Le muon En 1956, Carl Anderson étudiait les rayons cosmiques et y découvrit une nouvelle particule. Les rayons cosmiques sont des flux de particules dans l’espace, essentiellement composés de protons et d’électrons très rapides, venant pour la plus grande part du Soleil (et une partie d’étoiles plus lointaines). Ces rayonnement très énergétiques heurtent les molécules d’air de la haute atmosphère et produisent d’énormes gerbes de particules qui peuvent être captées au sol. La particule que Anderson trouva fut appelée muon. Le muon est tout à fait analogue à l’électron dont il partage bien des propriétés. La principale différence est qu’il est beaucoup plus massif. Sa masse est de 105.7 Mev (contre 0.512 pour l’électron, M = million). Le muon est instable, il ne survit que seconde (quelques millionièmes de seconde) en moyenne. C’est très bref. Il se désintègre alors en un électron, des photons et des neutrinos. Notons que sa durée de vie est si courte qu’Anderson n’aurait pas dû l’observer au sol. Les muons devraient tous se désintégrer le long du parcourt (de la haute atmosphère jusqu’au sol). Mais à cause de la dilatation du temps relativiste, et comme ils ont une vitesse proche de la vitesse de la lumière, leur durée de vie est notablement allongée. Un phénomène maintenant observé tous les jours dans les grands accélérateurs de particules. Le symbole de cette particule est μ.

Le tau Plus tard, dans les accélérateurs assez puissants pour communiquer suffisamment d’énergie, on découvrit une troisième particule du même type mais encore plus lourde : le tau (τ). Sa masse est de 1777 Mev et sa durée de vie encore plus courte.

V.2. Les mésons

Le méson de Yukawa En 1935, Hideki Yukawa fit une hypothèse : l’interaction nucléaire avait pour origine l’échange, entre neutrons et protons, d’une particule nommée méson de Yukawa. Cette hypothèse est assez naturelle dans le cadre de la mécanique quantique où les interactions sont décrites par de telles processus et où l’interaction électromagnétique est décrite par des échanges de photons. On montre que si la particule échangée est massive, l’interaction n’agit qu’à courte portée. L’interaction nucléaire n’agissant pas au-delà de quelques diamètres de protons ou neutrons, la particule doit être assez massive. Connaissant les propriétés de l’interaction nucléaire, Yukawa fut à même de déduire les propriétés du méson de Yukawa.

De nouvelles particules Les accélérateurs étant puissant, ils fournissent assez d’énergie pour créer de nombreuses particules. Dans l’immédiat après-guerre, on commença ainsi à découvrir de nombreuses particules. Outre les leptons, dont nous avons parlé, on a aussi les hadrons qui qualifient les particules sensibles à l’interaction forte (nucléaire) et dont font partie les neutrons et protons. Ces derniers sont des fermions. Lorsque la particule est un hadron mais aussi un boson, on la qualifie de méson. Les mésons sont donc des particules sensibles aux interactions fortes et de spin entier. Grâce aux accélérateurs, on a découvert un nombre impressionnant de mésons. Le plus léger, appelé méson pi (ou pion, ou π) fut identifié au méson de Yukawa dont la théorie se trouvait ainsi confirmée. Le méson pi existe sous trois forme : neutre, avec une charge électrique positive, avec une charge électrique négative. Donnons une liste des mésons qui ont été découverts.

Particule (l’exposant donne la charge)

Spin Parité Etrangeté Charme Masse (en MeV)

Durée de vie (en s)

0 Impaire 0 0 139.566

0 Impaire 0 0 134.964

0 Impaire ±1 0 493.668

0 Impaire 1 0 497.7

0 Impaire - 0

0 Impaire - 0

0 Impaire 0 0 548.8

0 Impaire 0 ±1 1868

0 Impaire 0 1 1863 Les antiparticules sont identiques aux particules (au changement de signe près) sauf lorsque l’on fait surmonter le symbole d’une barre. Le méson K neutre est assez particulier car il consiste en un mélange de deux états (ce qu’autorise la mécanique quantique). Selon le mélange on a un état d’étrangeté bien définie (voir ci-dessous) soit un état avec une durée de vie précise. Nous verrons que cette liste va encore s’allonger. D’ici là, il faudra expliquer cette liste étonnante de particules. Il faut de plus aussi compter sur l’existence d’états excités (un peu comme un atome excité). Ces états ont une durée de vie extrêmement courte et sont appelés des résonances. En ce désexcitant ils émettent un photon et se transforment en un méson non excité. Donnons une liste des principales (sa longueur illustre la perplexité des physiciens à l’époque devant leur nombre impressionnant).

Particule Spin Parité Etrangeté Charme Masse (en Mev)

( ) 1 Impaire 0 0 770

( ) 1 Impaire 0 0 782.6

( ) 0 Impaire 0 0 957.6

( ) 0 Paire 0 0 980

( ) 0 Paire 0 0 980

( ) 1 Impaire 0 0 1019.6

( ) 1 Paire 0 0 1100

( ) 1 Paire 0 0 1231

f(1270) 2 Paire 0 0 1271

( ) 0 Paire 0 0 1300

( ) 2 Paire 0 0 1312

f’(1515) 2 Paire 0 0 1516

( ) 1 Impaire 0 0 1600

( ) 2 Impaire 0 0 1640

( ) 3 Impaire 0 0 1688

g(1680) 3 Impaire 0 0 1688

h(2040) 4 Paire 0 0 2040

( ) 1 Impaire 0 0 3097

( ) 1 Impaire 0 0 3686

( ) 1 Impaire 0 0 3772

( ) 1 Impaire 0 0 4414

( ) 1 Impaire 0 0 9500

( ) 1 Impaire 1 0 892.2

( ) 1 Paire 1 0 1280

( ) 0 Paire 1 0 1400

( ) 2 Paire 1 0 1434

( ) 3 Impaire 1 0 1784

( ) 1 Impaire 0 1 2008

( ) 1 Impaire 0 1 2006

D’autres propriétés En étudiant toutes ces particules, c’est-à-dire en étudiant la façon dont elles se créent, la manière dont elles se désintègrent, leur durée de vie, etc., on a pu déterminer les propriétés que nous avons déjà vue (comme le spin) mais aussi d’autres propriétés qui ont pu leur être attribuée. Parmi ces propriétés, citons l’étrangeté et le charme, donné ci-dessus. Ces noms n’ont évidemment rien à voir avec leur sens habituel, même si des physiciens pourraient trouver que certaines particules sont « charmantes », mais les physiciens sont parfois un peu poète et on le verra encore avec d’autres noms de ce genre. Ces propriétés ont la particularité d’être conservées dans les interactions rapides (que l’on attribue à l’interaction forte ou à l’interaction électromagnétique). Par contre, elles ne sont pas conservées dans les interactions lentes (typiquement, des désintégrations prenant un temps relativement long par rapport à d’autres modes de désintégration, que l’on attribue à l’interaction faible). De même, il existe une autre propriété qui un a un rapport avec la symétrie par renversement spatial (un peu comme le reflet dans un miroir) et appelée parité. Si la particule reste identique on dit que sa parité est paire, sinon elle est impaire. Cette grandeur est là aussi préservée par les interactions fortes et électromagnétiques mais pas par les interactions faibles. Un exemple typique d’interaction conservant l’étrangeté est une collision à haute énergie, toujours très rapide :

Où le est une particule que nous verrons juste après d’étrangeté -1. Alors que dans la désintégration :

Relativement lente. L’étrangeté est modifiée. Notons que d’autres grandeurs comme l’énergie, la charge électrique ou le spin total sont toujours conservés, dans toutes les interactions.

V.3. Les baryons On a aussi découvert de nombreuses particules appelées baryons. Un baryon est un hadron, donc sensible à l’interaction forte, et un fermion, donc de spin demi-entier. Les nucléons (les protons et les neutrons) sont des baryons. Voici une liste de ces baryons.

Particule Spin Parité Etrangeté Masse (MeV) Durée de vue (s)

1/2 Paire -1 1115.60 1/2 Paire -1 1189.37

1/2 Paire -1 1192.48 1/2 Paire -1 1197.35

1/2 Paire -2 1314.9 1/2 Paire -2 1321.32 3/2 Paire -3 1672.2

Ainsi que les résonances baryoniques (états excités).

Particule Spin Parité Etrangeté Masse (MeV)

N (1470) 1/2 Paire 0 1390-1470

N (1520) 3/2 Impaire 0 1510-1530

N (1535) 1/2 Impaire 0 1500-1545

N (1670) 5/2 Impaire 0 1650-1685

N (1688) 5/2 Paire 0 1670-1690

N (1700) 1/2 Impaire 0 1660-1700

N (1700) 3/2 Impaire 0 1660-1710

N (1780) 1/2 Paire 0 1650-1750

N (1810) 3/2 Paire 0 1650-1750

N (2190) 7/2 Impaire 0 2140-2250

N (2200) 9/2 Impaire 0 2130-2270

N (2200) 9/2 Paire 0 2200-2250

N (2650) 11/2 Impaire 0 2580-2700

Δ (1232) 3/2 Paire 0 1230-1234

Δ (1650) 3/2 Impaire 0 1600-1695

Δ (1670) 3/2 Impaire 0 1620-1720

Δ (1690) 3/2 Paire 0 1650-1900

Δ (1890) 3/2 Paire 0 1860-1910

Δ (1910) 3/2 Paire 0 1780-1960

Δ (1950) 3/2 Paire 0 1910-1950

Δ (1960) 3/2 Impaire 0 1890-1950

Δ (2420) 3/2 Paire 0 2380-2450

Λ (1405) 1/2 Impaire -1 1405

Λ (1520) 3/2 Impaire -1 1520

Λ (1670) 1/2 Impaire -1 1660-1680

Λ (1690) 3/2 Impaire -1 1690

Λ (1815) 5/2 Paire -1 1820

Λ (1830) 5/2 Impaire -1 1810-1840

Λ (1860) 3/2 Paire -1 1850-1920

Λ (1870) 1/2 Impaire -1 1700-1850

Λ (2100) 7/2 Impaire -1 2080-2120

Λ (2110) 5/2 Paire -1 2050-2150

Σ (1385) 1/2 Paire -1 1382

Σ (1660) 3/2 Paire -1 1580-1690

Σ (1670) 1/2 Impaire -1 1675

Σ (1750) 3/2 Impaire -1 1730-1820

Σ (1765) 5/2 Impaire -1 1774

Σ (1915) 5/2 Paire -1 1905-1930

Σ (1940) 3/2 Impaire -1 1900-1960

Σ (2030) 7/2 Paire -1 2020-2040

Ξ (1530) 3/2 Paire -2 1531

V.4. Le modèle octet On a là une liste absolument impressionnante de particules. Comment classer tout ça ? A l’époque, les physiciens étaient d’autant plus perplexe que, ne connaissant pas de structure interne à ces particules, il n’était pas sûr que les résonances soient des états excités.

Modèle des quarks Murray Gell-Mann et Georges Zweig en 1964 étudient les mésons et baryons et leurs propriétés et remarquent qu’elles obéissent à des symétries remarquables. Ils imaginent alors que ces particules sont elles-mêmes composées de seulement quatre particules (en fait trois au départ) qu’ils nommèrent les quarks. Ces quarks ayant les propriétés suivantes (la charge électrique est donnée en charges élémentaires de l’électron).

Quark Symbole Charge Etrangeté Charme Spin

Up (haut) u 2/3 0 0 1/2

Down (bas) d -1/3 0 0 1/2

Strange (étrange) s -1/3 -1 0 1/2

Charm (charme) c 2/3 0 0 1/2

Ainsi que quelques autres propriétés que nous n’avons pas vu. En les combinant, on obtient tous les mésons (deux quarks) et baryons (trois quarks) avec leurs propriétés.

Modèle octet On comprend mieux le nom du modèle en prenant les trois premiers quarks (ceux du modèle initial) et en les combinant pour former les mésons. On vérifie aisément que l’on a les bonnes propriétés.

Comme nous l’avions déjà dit à propos des mésons K, la mécanique quantique autorise des mélanges d’états différents. Les deux mésons du centre s’obtient par deux combinaisons différentes des trois paires quark / antiquark indiquées. Les baryons se classent aussi sous forme octet mais un modèle décuplet est plus complet. Par exemple, en prenant les résonances suivantes.

On voit clairement les symétries. Par exemple la charge électrique augmente en suivant une directions vers la gauche et vers le bas et l’étrangeté augmente quand on va vers le haut.

Particules charmées Si l’on ajoute le quark charme, on peut construire un 15-uplet de mésons.

Et un 20-uplet pour les baryons.

Voyons comment on retrouve les propriétés avec deux cas bien connu : le neutron et le proton. Le neutron a pour composition les trois quarks udd. Le proton a pour composition les trois quarks uud. Pour les charges électriques on a donc 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 pour le neutron et 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1 pour le proton. Ils n’ont pas d’étrangeté ni de charme. Trois particules de spin 1/2 peuvent donner une particule de spin ½ ou 3/2. Les liaisons entre quarks sont plus fortes lorsque leur spin est opposé, l’état le plus stable est donc 1/2 + 1/2 – 1/2 = 1/2. Nous comprendrons mieux les règles d’association des quarks avec l’interaction forte un peu plus loin. Au début, les physiciens étaient sceptiques, en particulier à cause des charges électriques fractionnaires, mais aussi pour le caractère apparemment un peu « recette de cuisine » de la construction. Mais l’avalanche de résultats théoriques expliquant les données expérimentales on lachevé de convaincre. Puis plus tard, on a pu mettre en évidence directement des quarks dans certains processus (collisions à très haute énergie impliquant directement l’interaction entre un quark d’une particule et un quark d’une autre particule).

V.5. Un second panorama Le moment est venu d’effectuer un nouveau bilan. Répertorions les particules élémentaires ainsi que les particules composites.

Particules élémentaires Classe Famille Particule Masse Spin Charge Antiparticule

Fermions Leptons Electron kg 1/2 -1 Positron

Neutrino 0 1/2 0 Antineutrino

Quarks Up 1.5 à 4 MeV 1/2 +2/3 Anti-up

Down 4 à 8 MeV 1/2 -1/3 Anti-Down

Strange 80 à 130 Mev 1/2 -1/3 Anti-strange

Charm 1150 à 1350 MeV 1/2 +2/3 Anti-charm

Bosons Photon 0 1 0 -

Mésons Particule Composition Spin

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

Comme on le voit, certains mésons ont la même composition mais un spin différent montrant que les deux quarks ont des spins qui s’ajoutent (spins parallèles) au lieu de se soustraire. Cela montre qu’il s’agit d’états excités. On a également un spin 1 lorsque les deux quarks sont de même nature. On voit aussi que certains mésons peuvent être des superpositions quantiques assez compliquées de plusieurs états de paires de quark – antiquark.

Baryons Nous n’indiquons pas les antiparticules qui se déduisent facilement en prenant les antiquarks.

Particule Composition Spin

p (proton) uud 1/2

n (neutron) ddu 1/2

uuu 3/2

uud 3/2

udd 3/2

ddd 3/2

uds 1/2

udc 1/2

uus 1/2

uds 1/2

dds 1/2

uss 1/2

dss 1/2

dsc 3/2

usc 3/2

sss 3/2

ssc 1/2

VI. Les interactions Rappelons que nous avons vu trois types d’interactions entre particules :

Interaction électromagnétique, dont la particule médiatrice est le photon. Interaction faible. Interaction nucléaire ou forte, dont la particule est médiatrice est le méson pi, du moins

entre protons et neutrons. Ces particules étant composites, il reste à mieux comprendre l’interaction entre quarks.

VI.1. Echange de particules Nous n’allons décrire ici que le principe général, en quelques mots et sans les détails théoriques qui sont fort longs et complexes. Nous ne présenterons que ce qui s’avère utile à la compréhension de ce qui va suivre, c’est-à-dire fort peu.

La théorie quantique des champs La théorie quantique des champs est la théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions. C’est une théorie très élaborée qui modélise les particules comme des excitations d’un champ, un peu comme les vibrations d’une corde. Une vibration bien précise correspond à une particule et des vibrations plus importantes correspondent à de nombreuses particules. Les différents champs sont couplés entre eux, un peu comme des pendules qui seraient reliés par des cordes. Les vibrations des différents champs peuvent donc interagir et se transformer en d’autres vibrations. Un exemple typique est le champ électromagnétique. Ses vibrations sont appelés photons et ce champ est couplé aux charges électriques.

Interactions Les calculs conduisent à des interactions complexes avec création et destruction de particules (des vibrations qui apparaissent ou disparaissent). Ces calculs admettent une formulation graphique, les diagrammes de Feynman qui décrivent les différents types d’interactions entre particules. Ces diagrammes peuvent être fort complexes.

Ils obéissent à des règles de construction et de calculs très précis.

Echange de particules Les diagrammes les plus simples sont aussi les plus importants. Prenons par exemple le cas de deux particules qui s’approchent, se repoussent puis s’écartent. Le diagramme le plus simple est le suivant :

La particule échangée porte le nom de « boson de jauge » et est caractéristique de l’interaction considérée. Le calcul montre que si le boson de jauge est sans masse, l’intensité de l’interaction diminue comme le carré de la distance. On dit que l’interaction est à longue portée. Par contre, si le boson de jauge est massif, l’interaction diminue très vite avec la distance, jusqu’à devenir négligeable au-delà d’une distance inversement proportionnelle à la masse. On dit que l’interaction est à courte portée.

Exemple du photon Deux charges électriques, comme des électrons, interagissent via les champs électriques et magnétiques, c’est-à-dire dans cette théorie, par l’échange d’états de vibrations du champ électromagnétique : des photons.

Charges Ci-dessus, le champ électromagnétique est excité, induisant des vibrations, des photons, parce que l’électron est couplé à ce champ par une grandeur appelée charge électrique. C’est vrai aussi de tout type d’interaction. Les particules sensibles aux interactions le sont en proportion d’une grandeur que l’on appelle charge et qui est caractéristique de ces particules et de l’interaction considérée.

VI.2. L’interaction faible

Le modèle électrofaible Weinberg et Salam créèrent un modèle unifiant de manière très élégante le champ électromagnétique et l’interaction faible. Les deux dérivant (de manière précise) d’un unique champ appelé champ électrofaible. Ce modèle décrit très bien les processus électromagnétique et faible et a largement été confirmé par l’expérience. Les bosons de jauge correspondant ont été détecté directement rn 1984.

Bosons intermédiaires Les calculs théoriques de ce modèle conduisent à l’existence de quatre bosons de jauge. Le premier est celui que vous connaissez bien, c’est le photon, responsable des interactions électromagnétiques. Les trois autres sont les bosons , et appelés aussi bosons intermédiaires. Leur spin est de 1, comme le photon, et la masse des W est de 80.4 GeV et celle du Z de 91.2 GeV (G pour milliard). Les processus avec échange d’une particule Z neutre sont appelés courants neutres et leur mise en évidence fut une des premières confirmations importantes du modèle.

Nous constatons que les bosons W et Z sont extrêmement massifs (de l’ordre de kg, soit un million de fois plus lourd qu’un électron ou mille fois plus lourd qu’un proton). Cela signifie que l’interaction faible est à très courte portée, moins que la taille d’un proton.

Désintégration bêta On peut maintenant mieux décrire le processus de désintégration bêta.

Un des quarks d du neutron se transforme en un quark u (plus léger) en émettant un boson . Ce processus, peut efficace vu la faiblesse de cette interaction, peut prendre une vingtaine de minutes. Ce boson, très instable (il est très massif et donc se transforme facilement en particules de masses plus faible), se désintègre en un électron et un antineutrino. L’essentiel de la masse du boson se retrouve sous forme d’énergie cinétique de l’électron et de l’antineutrino. Les calculs effectués grâce au modèle électrofaible reproduisent fidèlement toutes les propriétés de ce processus (notamment le spectre en énergie de l’électron qui nous avait mis sur la piste du neutrino).

VI.3. L’interaction forte

Modèle de l’interaction forte En utilisant les outils de la théorie quantique des champs on a pu construire un modèle précis et bien confirmés par l’expérience de l’interaction forte agissant entre les quarks. Cette interaction est liée à l’échange d’une particule appelée le gluon, de masse nulle et de spin 1. Ce nom vient de ce qu’elle « colle » les quarks ensembles dans les protons et neutrons. La charge correspondante est appelée couleur. Elle n’a rien à voir avec la couleur habituelle, c’est juste son nom, mais il fut choisi à cause d’une analogie avec les mélanges de couleurs que nous allons voir.

Confinement La théorie montre que l’interaction forte a un comportement bizarre. Outre qu’elle est à longue portée, son intensité augmente lorsque la distance augmente ! Un comportement inédit. Supposons que deux quarks soient très proches. Essayons de les écarter. L’interaction forte les lie de plus en plus fort car son intensité augmente.

Il faut fournir une énergie énorme pour encore les écarter. C’est tout à fait comme s’ils étaient attachés par une corde. Une tentative de modélisation de l’interaction forte par de telles cordes a d’ailleurs été tentée mais sans véritable succès, bien que l’ingrédient ait rencontré plus tard un grand succès dans la théorie des cordes. Une manière (la seule à notre disposition en fait) de fournir une telle énergie est de heurter violemment les quarks avec d’autres particules dans les grands accélérateurs de particules. En fournissant suffisamment d’énergie, ils finissent par s’écarter. Mais l’énergie fournie est tellement énorme qu’il y a création de nombreuses particules (en suivant l’habituelle relation liant énergie et masse).

Et au final, on se retrouve avec de petits groupes de quarks. Impossible d’observer des quarks libres. Ce phénomène est appelé le confinement, car les quarks sont confinés à l’intérieur des baryons et des mésons. A contrario, s’ils s’approchent l’intensité de l’interaction diminue baisse et les quarks sont libres de leur mouvement (mais très proches). Cela a valu à ce genre d’interaction le qualificatif d’asymptotiquement libre.

Des collisions extrêmement énergétiques entre noyaux lourds (par exemple du plomb) donnent pendant un court instant une « soupe de quarks », une boule de quarks et gluons très proches, peu liés et se comportant comme un fluide sans viscosité. Leur étude a donné énormément d’informations sur l’interaction forte. Notons que les calculs sont très durs, en particulier à cause de la forte intensité de l’interaction forte qui empêche l’usage de techniques d’approximations habituellement très utiles (théorie des perturbations). Il faut des calculs très lourds sur superordinateur pour calculer les propriétés du proton à partir des quarks et de l’interaction forte, mais ce travail a pu être mené à bien.

Couleurs Puisque l’interaction est liée à la charge de couleur, l’ensemble n’est stable que si chaque groupe a une couleur neutre (charge nulle). Quelles sont les valeurs possibles pour cette charge de couleur. On a trois couleurs de base (trois valeurs pour la charge, contrairement à deux pour la charge électrique) : par exemple rouge, bleu, jaune. Le blanc (= neutre) est obtenu par mélange des trois couleurs de base (comme dans la synthèse additive en colorimétrie, l’analogie avec la couleur était donc assez évidente). Les antiparticules ont une couleur complémentaire (violet, orange, vert, ce qui donne six charges de base, beaucoup plus que dans le cas de l’électromagnétisme, et donc nettement plus complexe). Le blanc est donné aussi par une couleur et son complémentaire (rouge + vert = blanc, par exemple). Cela donne les règles de construction des particules. On ne peut avoir comme assemblages que trois quarks de couleurs de base différente, par exemple le proton de composition uud avec les couleurs rouge, jaune et bleu pour les trois quarks. Ou un quark et antiquark de couleurs complémentaires, par exemple le méson de composition

avec les couleurs rouge et vert.

Echange de gluons Les gluons portent aussi une charge de couleur formée d’une couleur de base et d’une couleur complémentaire (différente de la couleur complémentaire de la couleur de base). Par des superpositions quantiques, les règles de la mécanique quantique permettent de construire huit gluons avec des charges différentes. L’échange d’un gluon entre deux quarks modifie leur couleur. Par exemple :

Le quark rouge, envoyant un gluon rouge/orange au quark bleu, devient un quark bleu tandis que le destinataire devient un quark rouge. Il n’y a donc pas plusieurs sortes de protons ou de neutrons, selon les couleurs des trois quarks, car ces couleurs s’échangent en permanence. Notons que les gluons portant une charge de couleur (contrairement aux photons qui n’ont pas de charge électrique) sont sensibles eux-aussi à l’interaction forte et peuvent s’échanger eux-mêmes des gluons. Cela aussi complique fortement les calculs.

Interaction nucléaire L’interaction entre protons et neutrons ne peut pas se faire par gluons, car ceux-ci étant chargés et sensibles à l’interaction forte sont confinés dans les nucléons avec les quarks, ou très marginalement juste au contact de deux nucléons. L’interaction ne peut se faire que par une particule composite de charge de couleur neutre, la plus légère est le méson pi, on retombe sur nos pattes. Le confinement et la masse élevée du pi (portée de l’ordre de quelques diamètres de protons) expliquent la courte portée de cette interaction alors que l’interaction forte est de portée infinie. Notons qu’on identifie souvent interaction nucléaire et forte, ce que nous avions fait jusqu’ici, mais il est plus juste de réserver l’interaction forte aux quarks et gluons et l’interaction nucléaire aux protons, neutrons et pi. On dit que l’interaction nucléaire est une interaction dérivée de l’interaction forte.

VII. La famille au grand complet Nous avons presque fait le tour. Complétons les particules connues.

VII.1. Les neutrinos

Trois neutrinos On a découvert trois types de neutrinos, chacun associé aux différents leptons chargés :

le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. L’identification a pu être établie suite aux différentes réactions qui se produisent avec eux (création dans des collisions ou des désintégrations, interactions). Par exemple, si une désintégration d’un baryon lourd produit un muon, un neutrino muonique est produit avec, et ce neutrino ne pourra lui-même induire que des réactions associées au muon. Nous avons ainsi trois générations de leptons (trois saveurs) :

Electron – neutrino électronique. Muon – neutrino muonique. Tau – neutrino tauique.

Lorsqu’un boson Z se désintègre, il peut le faire en une paire neutrino – antineutrino. Il existe ainsi trois façons pour lui de se désintégrer en paires de neutrinos – antineutrinos, ce qui joue sur sa durée de vie. Plus il a de manière de se désintégrer et plus vite il peut le faire. Le calcul ainsi que l’expérience a montré qu’il ne devait exister que trois générations de particules élémentaires. A moins que la quatrième génération soit composée de neutrinos ayant une masse extraordinairement élevée, ce qui parait improbable vu la masse extrêmement faible des trois neutrinos connus.

L’énigme des neutrinos solaires Progressivement, de grands détecteurs de neutrinos furent mis en place. Un des plus célèbre étant le grand détecteur de Kamiokande. Les neutrinos sont très difficiles à détecter. Ces détecteurs sont donc de grandes cuves, plus grandes qu’une piscine, remplies d’un liquide approprié tel que l’eau ou d’autres fluides. Ce liquide est ultra pur (pureté extrême obtenue en laboratoire) pour éviter que parmi les impuretés ne se trouvent de rares atomes radioactifs dont la désintégration viendrait perturber les mesures. Ces détecteurs sont également placés sous terre (générale dans d’anciens puits de mine) afin d’éviter de capter accidentellement des rayons cosmiques. La cuve est entourée de détecteurs ultra sensibles ne captant que quelques dizaines d’événements par an au maximum. Dès leur construction, une de leur tâche fut de détecter les neutrinos émis par le Soleil. Celui-ci doit sa température élevée, source de sa lumière, à des réactions thermonucléaires en son sein (fusion de noyaux d’hydrogène pour former de l’hélium). Ces réactions produisent une grande quantité de neutrinos (les hydrogènes donnent quatre protons et le noyau d’hélium c’est deux protons et deux neutrons. Dans la réaction on a donc transformation de deux protons en deux neutrons avec émission de deux neutrinos). Ces neutrinos traversent presque tous le Soleil et sont émis dans l’espace et donc vers la Terre. Lors des premières mesures, un résultat inattendu fut obtenu. On n’obtenait que le tiers des neutrinos attendus. La quantité attendue ayant été calculée à partir de modèles de fonctionnement de notre étoile. Trois solutions s’offraient à cette énigme des neutrinos solaires :

1) La détection des neutrinos est trois fois moins bonne qu’attendue. Cela semblait très improbable puisque cette détection avait pu être établie grâce à la détection de neutrinos émis par des réacteurs nucléaires. L’efficacité des détecteurs était très bien connue.

2) Les modèles du Soleil sont faux et il y a trois fois moins de neutrinos qu’attendus. Cela aussi semblait fort improbable car ces modèles, outre qu’ils reproduisent bien les caractéristiques de notre étoile, sont basés sur des théories fort bien connues et validées : physique

thermonucléaire, mécanique des fluides, électromagnétisme (rayonnement émis par le Soleil), composition chimique du Soleil (connue par l’étude de son spectre lumineux), etc.

3) Les neutrinos oscillent. Nous allons voir de quoi il s’agit.

Oscillation des neutrinos Une possibilité était que les neutrinos (électroniques) émis par le Soleil se tranforment en neutrinos muoniques et tauiques et vice-versa. Ce sont les oscillations de la saveur des neutrinos. Après un long trajet, on doit se retrouver à peu près avec un tiers de neutrinos de chaque sorte. Comme le détecteur utilisé ne pouvait détecter que les neutrinos électroniques, deux tiers des neutrinos échappaient à son attention. Cette hypothèse fut confirmée par des neutrinos émis par différents réacteurs nucléaires situés à grande distance des détecteurs (ils peuvent même être de l’autre côté de la Terre, celle-ci ne constituant pas un obstacle). Des détecteurs capables de mesurer les neutrinos muoniques et tauiques sont venus achevé la démonstration.

Masse des neutrinos La théorie montre que les neutrinos ne peuvent osciller que s’ils ont une masse. Les neutrinos quantiques sont alors des superpositions de plusieurs états, comme on l’a vu aussi dans certaines compositions de mésons. Mais les états « masse précise » ne coïncident pas avec les états « saveur précise ». Ainsi, si l’énergie (donc la masse) de production est précise, ce qui est généralement le cas, on a un mélange de saveurs et l’état observé du neutrino oscille entre les différentes saveurs. L’étude des oscillations reste très délicate car ils doivent parcourir une grande distance pour se transformer de manière sensible et les neutrinos sont difficiles à détecter. Tous les paramètres ne sont pas encore mesurés avec toute la précision souhaitée et la recherche continue. Pour les mêmes raisons, on n’a pour les masses que des bornes supérieures. Ainsi, la masse du neutrino électronique est inférieure à 0.0000022 eV, la masse du neutrino muonique inférieure à 0.17 eV et celle du neutrino tauique inférieure à 15.5 eV. Ces valeurs sont extrêmement petites, mêmes pour le neutrino tauique la borne supérieure est trois millions de fois plus légère que l’électron.

Hélicité Les neutrinos ayant un spin, lorsqu’ils se propagent, si on les regarde par derrière on doit avoir une rotation dans un sens ou l’autre, c’est-à-dire qu’il doit avancer comme un vis française ou anglaise

C’est ce qu’on appelle l’hélicité. Un électron peut ainsi avoir une hélicité droite (comme un tirebouchon) notée +1 ou gauche notée -1. Il se fait que les neutrinos sont toujours gauche. Un fait constaté, grâce à la conservation du spin, dans divers processus impliquant les électrons et les neutrinos comme la radioactivité bêta. C’est ce qu’on appelle la violation de la symétrie P (l’image d’un neutrino gauche dans un miroir est un neutrino droit mais ceux-ci n’existent pas). Inversement, les antineutrinos sont toujours droits. Il existe une possibilité : qu’il y ait aussi bien des neutrinos gauches que des neutrinos droits et que les neutrinos et antineutrinos ne soient qu’une seule et même particule, un peu comme le photon. C’est autorisé par la théorie et c’est ce qu’on appelle des neutrinos de Majorana. Une possibilité de détection est l’existence d’une double désintégration bêta sans émission de neutrino (l’antineutrino émis par un neutron qui se désintègre est identique à un neutrino et peut être absorbé par un autre neutron qui se désintègre en émettant juste un électron). Ce processus doit être extrêmement rare et il n’a pas encore pu être détecté. De plus l’absence de preuve ne constitue pas une preuve d’absence et vérifier que les neutrinos sont différents de leur antiparticules reste un défi.

VII.2. Compléter les quarks On a aussi découvert deux autres quarks. Le quark b (bottom ou beau) et le quark t (top ou vérité). Tous les deux découvertes au Fermilab respectivement en 1977 et 1995. Le quark b a une masse comprise entre 4100 et 4400 MeV et une charge électrique -1/3 et le quark t a une masse comprise entre 169100 et 172700 MeV et une charge électrique +2/3. On a donc là aussi trois générations de quarks : u – d, s – c et b – t. Voici la liste de quelques particules mésons et baryons incluant le quark b :

Particule Composition Spin Masse (MeV) Durée de vie (s)

0 5279 0 5279

0 5279

0 5279

1 9460.4

1/2 5624

VII.3. Un dernier panorama ### compléter avec les neutrinos Ainsi, la masse du neutrino électronique est inférieure à 0.0000022 eV, la masse du neutrino muonique inférieure à 0.17 eV et celle du neutrino tauique inférieure à 15.5 eV. Ces valeurs sont ### compléter avec les quarks Le quark b a une masse comprise entre 4100 et 4400 MeV et une charge électrique -1/3 et le quark t a une masse comprise entre 169100 et 172700 MeV et une charge électrique +2/3. ### compléter avec les bosons Leur spin est de 1, comme le photon, et la masse des W est de 80.4 GeV et celle du Z de 91.2 GeV (G

Classe Famille Particule Masse Spin Charge Antiparticule

Fermions Leptons Electron 0.511 MeV 1/2 -1 Positron

Neutrino < 0.0000022 eV

1/2 0 Antineutrino

Muon 105.7 MeV 1/2 -1 Antimuon

Neutrino < 0.17 eV 1/2 0 Antineutrino

Tau 1777 MeV 1/2 -1 Antitau

Neutrino < 15.5 eV 1/2 0 Antineutrino

Quarks (trois couleurs plus trois couleurs complémentaires)

Up 1.5 à 4 MeV

1/2 +2/3 Anti-up

Down 4 à 8 MeV 1/2 -1/3 Anti-Down

Strange 80 à 130 Mev

1/2 -1/3 Anti-strange

Charm 1150 à 1350 MeV

1/2 +2/3 Anti-charm

Bottom 4100 à 4400 MeV

1/2 -1/3 Anti-bottom

Top 169100 à 172700 MeV

1/2 +2/3 Anti-top

Bosons Photon 0 1 0 -

Gluon (huit combinaisons de couleurs et d’une couleur complémentaire)

0 1 0 -

80.4 GeV 1 +1

91.2 GeV 1 0 -

VIII. Un dernier venu A l’ensemble élégant de particules élémentaires que nous venons de voir, il faut ajouter un dernier membre.

La masse des particules Le Modèle Standard de la physique des particules, utilisant le tableau précédent et les modèles issues de la théorie quantique des champs prédit que les particules ont toutes une masse zéro. C’est évidemment ennuyant puisque l’on sait que les particules ont une masse. Une théorie élégante élaborée par Englert-Brout-Higgs-Gulranik-Hagen-Kibble permet aux particules d’acquérir une masse de manière cohérente avec le reste de la théorie. Cette approche nécessite l’existence d’une nouvelle particule appelée boson de Higgs. Cette particule donne leur masse aux autres particules par des mécanismes d’interaction avec ces dernières.

Découverte Le Higgs a été mis en évidence récemment au LHC. C’est un boson scalaire, spin 0, de masse égale à 126 MeV.

IX. Un grand absent

Une quatrième interaction fondamentale Nous avons parlé de trois interactions fondamentales (électromagnétique, faible et forte) mais il en manque une : la gravitation universelle. C’est-à-dire l’attraction exercée par les corps massifs. Cette interaction est très importante car c’est elle qui nous maintient au sol et permet à la Terre de tourner autour du Soleil. Mais elle fait un peu bande à part car elle est décrite par une toute autre théorie : la relativité générale d’Einstein (qui est la version relativiste améliorée de la théorie de la gravitation de Newton).

Quantification de la gravité On ne sait pas comment marier la théorie d’Einstein avec la mécanique quantique, tout en montrant qu’un tel mariage est indispensable. Bien que la relativité générale décrive la gravitation comme un champ, le passage à la théorie quantique des champs est un parcours miné rempli de difficultés techniques innombrables. Ou plutôt, on a plusieurs théories qui permettent de réaliser cette union. Les deux plus élaborées étant la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles. Et là, on se retrouve confronté à une autre difficulté : on ne sait pas départager ces théories car nous manquons d’information expérimentale. Les effets de la gravitation quantique ne se font sentir que dans des domaines qui échappent encore de très loin à nos capacités expérimentales. Toutefois, toutes ces théories prédisent l’existence d’une particule : le graviton.

Le graviton Le graviton serait la particule échangée à la base de l’interaction gravitationnelle, tout comme le photon pour l’électromagnétisme. Et bien que cette particule reste encore hypothétique, on peut déduire ses propriétés de celles de la gravitation bien décrite par la relativité générale. Le graviton doit avoir une masse zéro, un spin 2 et il doit être couplé à l’énergie (tout comme le photon est couplé à la charge électrique).

Ce couplage est extrêmement faible, encore plus faible que l’interaction faible. Pensons que nous pouvons soulever un copeau de métal avec un simple aimant gros comme le pouce alors que ce même copeau est plaqué au sol par la gravité produite par une planète de la taille de la Terre. Si la gravitation est malgré tout une interaction omniprésente, c’est simplement parce qu’elle est toujours attractive. Il suffit donc d’avoir une très grande accumulation de masse (planètes, étoiles) pour qu’elle finisse par tout dominer. Le graviton, vous l’aurez compris, n’a pas encore pu être mis en évidence, même indirectement. Et il semble assez probable qu’une telle mise en évidence ne soit pas pour demain à cause de la faiblesse de cette interaction et du caractère exotique du domaine où la gravité quantique devient importante (au sein des trous noirs ou pendant la première fraction de seconde de l’existence de notre univers).

X. Références - Jean-Marc Richard, Annie Baglin, Antimatière, Encyclopedia Universalis.

- José Leite Lopes, Atome, Encyclopedia Universalis.

- Michel Baubillier, Compton (effet), Encyclopedia Universalis.

- Maurice Jacob, Electron, Encyclopedia Universalis.

- René Bimbot, René Letolle, Marc Pascaud, Maurice Tubiana, Isotopes, Encyclopedia

Universalis.

- Michel Paty, Neutrinos, Encyclopedia Universalis.

- Francis Netter, Neutron, Encyclopedia Universalis.

- Maurice Jacob, Christian Pascaud, Particules élémentaires, Encyclopedia Universalis.

- Pierre Vernier, Photoélectrique (effet), Encyclopedia Universalis.

- Roland Omnès, Proton, Encyclopedia Universalis.

- Feynman, Leigthon, Sands, Le cours de physique de Feynman, Mécanique quantique,

InterEditions, Paris.

- Claude Itzykson, Jean-Bernard Zuber, Quantum Field Theory, McGraw-Hill International

Editions, Physics Series.

- N. Nelipa, Physique des particules élémentaires, Editions Mir, Moscou.

- Les particules élémentaires, Les dossiers de La Recherche, Juin-Juillet 2013.

- Higgs boson, Wikipedia.

- Particules élémentaires, Wikipedia.

- Liste des particules, Wikipedia.

- Baryon, Wikipedia.

- Méson, Wikipedia.