PARTICULES ÉLÉMENTAIRESCaractères généraux

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Le cadre théorique : le modèle standard des particules

La physique au niveau des particules élémentaires s'exprime dans le cadre de la théorie quantique des champs. C'est le formalisme auquel on est conduit, combinant les idées clés de la mécanique quantique, de la relativité et de la causalité. Chaque particule – qu'il s'agisse des fermions de spin 1/2 (quarks et leptons) ou des bosons vectoriels associés aux forces fondamentales – est décrite par un champ quantique défini en chaque point de l'espace (x, y, z)-temps (t). Les interactions correspondent à des couplages entre champs au même point.

Ce formalisme conduit automatiquement à la notion d'antiparticule, des entités dont l'existence s'impose aussi bien théoriquement qu'expérimentalement, et qui sont aussi matérielles que les particules elles-mêmes. Cependant, la faculté d'annihilation d'une particule avec son antiparticule, annihilation libérant éventuellement une énergie considérable par transformation des masses de chacune, rend fort difficile de conserver ces antiparticules.

Les lois de conservation

Pour chaque particule (quark ou lepton), on a ainsi une antiparticule de même masse et de même spin, mais ayant des propriétés internes (charge, saveur, couleur) opposées. Au niveau des interactions connues, il y a conservation du nombre global de quarks diminué du nombre d'antiquarks. La transformation de l'énergie en matière ou de la matière en énergie correspond à la production ou à l'annihilation de paires particule-antiparticule. Par exemple, un électron et un positon (l'antiparticule de l'électron) s'annihilent en photons ou sont simultanément créés par la collision de deux photons. Si un quark et un antiquark s'annihilent, cela donne un W ou un Z dont la désintégration peut elle-même engendrer une paire de quark-antiquark ou de lepton-antilepton.

Dans chaque processus fondamental, Richard Feynman a proposé de représenter l'expression mathématique de l'amplitude de probabilité d'une réaction par de petits dessins (fig. 2). Ces diagrammes de Feynman représentent une suite d'interactions ponctuelles et instantanées entre des champs quantiques.

Modes d'interaction des quarks et des leptons

Dessin : Modes d'interaction des quarks et des leptons

Les différents modes d'interaction au niveau des quarks et des leptons. L'interaction électromagnétique est due à l'échange de photons (en a). L'interaction faible avec changement de saveur et de charge est due à l'échange d'un boson W ; sans changement de saveur ni de charge, elle est... 

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La cinématique est telle que l'on ne peut parfois pas simultanément satisfaire la relation :

pour les particules externes et la particule interne.

C'est bien sûr le cas pour l'annihilation d'un électron et d'un positon massifs et de grande énergie en un photon unique de masse nulle. La particule intermédiaire est, dans ce cas, virtuelle. Son existence, avec une énergie qui ne satisfait pas la relation :

est possible au cours d'un temps Δt tel que :
où ΔE est l'écart d'énergie nécessaire.

Il s'agit là d'une fluctuation quantique par l'intermédiaire de laquelle l'interaction se manifeste. Au cours du temps Δt, un signal ne peut se propager que sur une distance :

Une particule virtuelle ne peut traduire une interaction qu'à très faible distance. Ce sont cependant des conditions facilement remplies dans une description de la structure de la matière avec un haut niveau de résolution. À l'échelle de 10—18 m où la physique des particules décrit la nature, nous pouvons permettre des écarts d'énergie ΔE de 100 GeV.

Pouvoir de résolution et énergie d'interaction

Nous voyons apparaître là ce comportement quantique, si caractéristique de la physique subatomique, qui associe pouvoir de résolution et énergie d'interaction. Il a lieu selon une analogie avec la diffraction en optique, où le pouvoir de résolution est inversement proportionnel à la longueur d'onde. En physique quantique, le quantum de champ (l'énergie du photon) est inversement proportionnel à la longueur d'onde. C'est la fameuse relation de Planck :

où ν est la fréquence ; ou encore, pour une particule d'impulsion p, la fameuse relation de Louis De Broglie :
qui relie la longueur d'onde λ à l'impulsion. Le prix à payer pour la résolution est l'énergie. Atteindre une résolution de 10—19 m demande 1 TeV (1 000 GeV) au niveau des quarks ou des leptons en interaction.

On peut cependant douter que la simplicité ultime des interactions et leur unité totale se situent au niveau des particules fondamentales actuelles. L'humilité doit rester une qualité fondamentale du scientifique.

Les interactions fondamentales

Les interactions fondamentales sont décrites dans le cadre des théories quantiques des champs. C'est le cas de la théorie électrofaible qui regroupe l'électrodynamique quantique et l'interaction faible [...]

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Niveaux de structure

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Énergie nucléaire

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Modes d'interaction des quarks et des leptons

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Écrit par :

  • : physicien au Cern, Genève, membre de l'Académie des sciences de Suède, correspondant de l'Académie des sciences de France
  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Maurice JACOB, Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Caractères généraux », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 24 septembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-caracteres-generaux/