Principes fondamentaux de la physique des particules

L’une des découvertes les plus surprenantes du XXe siècle a été le nombre impressionnant de particules qui existent dans l’univers. Bien que le concept de particules fondamentales et indivisibles remonte à l’Antiquité grecque (concept connu sous le nom d’atomisme), ce n’est que dans les années 1900 que les physiciens ont commencé à explorer ce qui se passait à l’intérieur de la matière aux plus petits niveaux.

En fait, la physique quantique prévoit qu’il n’existe que 18 types de particules élémentaires (dont 16 ont déjà été détectées par expérience). Le but de la physique élémentaire des particules est de continuer à rechercher les particules restantes.

Le modèle standard de la physique des particules

Le modèle standard de la physique des particules est au cœur de la physique moderne. Dans ce modèle, 3 des 4 forces fondamentales de la physique sont décrites, ainsi que les particules qui interviennent dans ces forces : les bosons de jauges. (Techniquement, la gravité n’est pas incluse dans le modèle standard, bien que les physiciens théoriciens travaillent à étendre le modèle pour inclure une théorie quantique de la gravité.)

Groupes de particules

S’il y a une chose que les physiciens des particules semblent apprécier, c’est la division des particules en groupes. Voici quelques-uns des groupes dans lesquels les particules existent :

Particules élémentaires – Les plus petits constituants de la matière et de l’énergie, ces particules qui ne semblent pas être faites de combinaisons de particules plus petites.

  • Fermions – Les fermions sont des particules qui ont un spin de particule égal à une valeur demi-entière (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Ces particules constituent la matière que nous observons dans notre univers.
  • Quarks – Une classe de fermion. Les quarks sont les particules qui composent les hadrons, comme les protons et les neutrons. Il existe 6 types distincts de quarks :
      • Quark inférieur – Bottom Quark
        Étrange Quark – Strange Quark
        Quark duvet – Down Quark
        Top Quark – Top Quark
        Charme Quark – Charm Quark
        En haut Quark – Up Quark
  • Leptons – Une classe de fermions. Il existe 6 types de leptons :
      • Électron
      • Neutrino d’électrons
      • Muon
      • Muon Neutrino
      • Tau
      • Tau Neutrino
  • Bosons – Les bosons sont des particules qui ont un spin de particules égal à un entier (1, 2, 3, etc.). Ces particules sont les médiateurs des forces fondamentales de la physique sous les théories des champs quantiques.
  • Photon
  • W Boson
  • Z Boson
  • Gluon
  • Boson de Higgs – fait partie du modèle standard. Détecté pour la première fois en 2012 par le Grand collisionneur de hadrons.
  • Graviton – théoriquement prédit comme faisant partie de la gravité quantique, mais ne faisant pas réellement partie du modèle standard.

Particules composites

  • Hadrons – Particules composées de plusieurs quarks liés entre eux.
  • Baryons (fermions)
  • Nucléons – protons et neutrons
  • Hyperons – particules de courte durée composées de quarks étranges.
  • Mésons (bosons)
  • Noyaux atomiques, Atomic Nuclei – les protons et les neutrons se forment ensemble pour créer le noyau atomique.
  • Atomes – Élément chimique de base de la matière, les atomes sont composés d’électrons, de protons et de neutrons.
  • Molécules – Structure complexe composée de plusieurs atomes liés entre eux. L’étude de la façon dont les atomes se lient entre eux pour former diverses structures moléculaires est le fondement de la chimie moderne.

Note sur la classification des particules

Il peut être difficile de garder tous les noms droits en physique des particules, il peut donc être utile de penser au monde animal, où une telle dénomination structurée pourrait être plus familière et intuitive. Les humains sont des primates, des mammifères et aussi des vertébrés. De même, les protons sont des baryons, des hadrons et aussi des fermions.

La malheureuse différence est que les termes ont tendance à se ressembler. Confondre bosons et baryons, par exemple, est beaucoup plus facile que confondre primates et invertébrés. La seule façon de vraiment garder ces différents groupes de particules séparés est de les étudier attentivement et d’essayer de faire attention au nom qui est utilisé.

Matière et forces : Fermions & Bosons

Toutes les particules élémentaires en physique sont classées en fermions ou en bosons. La physique quantique démontre que les particules peuvent avoir un « spin » intrinsèque non nul, ou moment angulaire, qui leur est associé.

Un fermion (du nom d’Enrico Fermi) est une particule avec un spin demi-entier, tandis qu’un boson (du nom de Satyendra Nath Bose) est une particule avec un spin entier. Ces pirouettes donnent lieu à des applications mathématiques différentes dans certaines situations, ce qui dépasse largement le cadre du présent article. Pour l’instant, sachez que les deux types de particules existent.

Les mathématiques simples de l’addition d’entiers et de demi-entiers montrent ce qui suit :

  • La combinaison d’un nombre impair de fermions donne une fermion (car la rotation totale sera toujours une valeur demi-entière).
  • La combinaison d’un nombre pair de fermions donne un boson (parce que le nombre total de spins sera maintenant une valeur entière).

Breaking Down Matter : Quarks & Leptons

Les deux constituants de base de la matière sont les quarks et les leptons. Ces deux particules subatomiques sont des fermions, donc tous les bosons sont créés à partir d’une combinaison égale de ces particules.

Les quarks sont des particules fondamentales qui interagissent à travers les quatre forces fondamentales de la physique : gravité, électromagnétisme, faible interaction et forte interaction. Les quarks existent toujours en combinaison pour former des particules subatomiques appelées hadrons. Les hadrons, juste pour compliquer encore les choses, sont divisés en mésons (qui sont des bosons) et baryons (qui sont des fermions). Les protons et les neutrons sont des baryons. En d’autres termes, ils sont composés de quarks de sorte que leur spin est une valeur demi-entière.

Les leptons, d’autre part, sont des particules fondamentales qui n’ont pas d’interaction forte. Il y a trois « saveurs » de leptons : l‘électron, le muon et le tau. Chaque saveur est composée d’un « doublet faible », composé de la particule susmentionnée et d’une particule neutre pratiquement sans masse appelée neutrino. Ainsi, le lepton électronique est le faible doublet d’électron et électron-neutrino.

via Thoughtco
Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

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