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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Les physiciens poursuivent l'étude de la structure de la matière dans le but de trouver plus d'unité et de simplicité dans un monde qui nous frappe par sa diversité et son apparente complexité. N'est-il pas remarquable de pouvoir ramener la variété quasi infinie des objets qui nous entourent aux multiples constructions de quelques constituants fondamentaux ?

Trouver ces constituants, et comprendre la façon dont ils se lient entre eux, est le but de la physique des particules élémentaires. Il s'agit d'une physique quantique où le prix à payer pour la résolution recherchée est l'énergie de choc entre particules. La physique des particules élémentaires s'identifie presque entièrement à la physique des hautes énergies. Cette physique est aussi, de ce fait, une des clés de la cosmologie moderne.

La reconnaissance du caractère élémentaire d'une particule évolue avec le degré de précision des observations. Le proton et le neutron ont ainsi perdu le statut de particule élémentaire au profit des quarks et des gluons qui les composent. En revanche, l'électron, le neutrino et le photon semblent bien encore dépourvus de structure interne. Les progrès théoriques ont permis de classifier les particules par le biais de la théorie mathématique des représentations des groupes de symétrie. Les progrès techniques ont permis par ailleurs de déceler l'existence de particules de masses élevées – les quarks et les leptons lourds et les bosons faibles – ou extraordinairement discrètes, comme les gluons ou les neutrinos. Ces dernières décennies, accélérateurs de particules toujours plus puissants et ensembles de détection sophistiqués ont ainsi fait progresser de façon remarquable la connaissance de l'infiniment petit.

Essai de définition de la particule élémentaire

Nous n'avons encore jamais été déçus dans notre recherche d'unité et de simplicité, étudiant la structure de la matière avec une résolution de plus en plus poussée. Les objets macroscopiques sont constitués d'un emboîtement de structures de plus en plus simples et moins diversifiées qui se dévoilent à tour de rôle, quand le pouvoir séparateur de l'appareil de mesure (en l'occurrence les accélérateurs de particules et les détecteurs) augmente.

Les différents niveaux de structure observables sont celui du virus, avec une taille typique de 10—7 m, celui de la molécule, d'une dimension de 10—9 m, et celui de l' atome, dont l'échelle est de l'ordre de 10—10 m (fig. 1). Continuant cette descente dans la structure de la matière, on atteint le noyau de l'atome, avec une taille typique de 10—14 m, puis le nucléon ( proton ou neutron) dont la dimension est de l'ordre de 10—15 m. Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, liés entre eux d'une façon assez compacte. Dans l'atome, des électrons (de charge — e) compensent, par leur nombre, la charge Ze du noyau correspondant au nombre de protons qui s'y trouvent. Les électrons remplissent, par leur mouvement incessant, le relativement grand volume de l'atome, qui est mille milliards de fois plus grand que celui du noyau. À la précision des mesures actuelles, l'électron est une particule quasi ponctuelle. Son rayon est inférieur à 10—19 m. C'est une des particules élémentaires reconnues comme telles.

Niveaux de structure - crédits : Encyclopædia Universalis France

Niveaux de structure

Encyclopædia Universalis France

Énergie nucléaire - crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

Énergie nucléaire

Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

Les constituants de base, les fermions (quarks et leptons)

Continuant la descente au-delà de 10—15 m, on atteint le niveau des quarks, les constituants du proton et du neutron. Nous pouvons étudier avec précision la structure de la matière à l'échelle de 10—18 m : on distingue alors clairement les quarks. À la précision des mesures, le quark est une particule quasi ponctuelle, donc élémentaire. Son rayon est inférieur à 10—19 m.

À partir des particules élémentaires,[...]

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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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Classification

Pour citer cet article

Maurice JACOB et Bernard PIRE. PARTICULES ÉLÉMENTAIRES [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Niveaux de structure - crédits : Encyclopædia Universalis France

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Énergie nucléaire - crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

Énergie nucléaire

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Particules élémentaires : propriétés - crédits : Encyclopædia Universalis France

Particules élémentaires : propriétés

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Autres références

  • DÉTECTEURS DE PARTICULES

    • Écrit par Pierre BAREYRE, Jean-Pierre BATON, Georges CHARPAK, Monique NEVEU, Bernard PIRE
    • 10 978 mots
    • 12 médias

    L' histoire de la physique subatomique est intimement liée à l'évolution des détecteurs de particules. Ces appareils furent souvent inventés pour répondre à des exigences précises de la physique. Ils furent aussi, parfois, le fruit des retombées du progrès de la technologie. Les deux classes de phénomènes...

  • HADRONS

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 4 223 mots
    • 2 médias

    La famille des hadrons rassemble les nombreuses particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, cette force extraordinairement intense qui assure la cohésion du noyau en confinant les nucléons – protons et neutrons – dans un tout petit volume, malgré la répulsion électrostatique entre les protons....

  • ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

    • Écrit par Michel CROZON, Jean-Louis LACLARE
    • 3 528 mots
    • 3 médias

    Les modèles et théories qui synthétisent notre compréhension actuelle de la matière et de ses constituants élémentaires – molécules, atomes, particules – ont été confrontés à une multitude d'observations expérimentales. Pour réaliser ces expériences, c'est-à-dire observer l'infiniment petit, on utilise...

  • BOSONS ET FERMIONS

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 709 mots

    Classer les objets d’étude est une étape essentielle de la démarche scientifique, dans tous les domaines. Peu après la naissance de la physique moderne, il est apparu que le concept de spin permettait de distinguer deux classes d’objets quantiques : les bosons et les fermions. Rappelons que,...

  • ÉLECTRONS

    • Écrit par Jean-Eudes AUGUSTIN, Bernard PIRE
    • 6 657 mots
    • 5 médias

    L'électron est une particule élémentaire stable. Il possède une charge électrique négative et une très petite masse (près de 2 000 fois plus petite que celle de l'atome le plus léger, l'hydrogène). Il a un moment angulaire propre appelé spin, égal à h/4π (h étant la...

  • NEUTRINOS

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 4 031 mots
    • 2 médias

    Les neutrinos sont sans doute les particules élémentaires les plus déconcertantes de l'Univers. Omniprésents, ils interagissent si faiblement avec la matière qu'ils traversent quasiment sans être déviés les planètes comme les espaces intergalactiques. Continuellement produits lors...

  • QUARKS

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 2 130 mots
    • 1 média

    Les quarks sont des particules élémentaires. Ils ont été imaginés en 1963 pour expliquer la multiplicité croissante des particules élémentaires et la régularité apparente du nouveau tableau des éléments découverts grâce aux expériences utilisant les grands accélérateurs et sont maintenant considérés...

  • ANDERSON CARL DAVID (1905-1991)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 554 mots

    Le physicien américain Carl David Anderson est né à New York de parents suédois le 3 septembre 1905. Après des études au California Institute of Technology de Pasadena, il y fait toute sa carrière, jusqu'à sa retraite en 1978. Dans sa thèse de doctorat soutenue en 1930, sous la direction de Robert...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
    • 6 931 mots
    • 4 médias
    Emilio Segrè - crédits : Keystone/ Getty Images
    Les résultats établis historiquement d'abord pour l'électron sont en fait plus généraux.Chaque particule possède une antiparticule qui lui est associée. Elles ont les mêmes caractéristiques mécaniques, c'est-à-dire même masse et même moment cinétique intrinsèque, ou spin. Mais une particule et...

  • ASPECT ALAIN (1947- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 156 mots
    • 1 média
    Il choisit un sujet extrêmement risqué : éprouver les fondements de la mécanique quantique et éclairer le débat épistémologique entre Albert Einstein et Niels Bohr en étudiant le phénomène dit d’intrication d’une paire de particules.

  • ASTROPARTICULES

    • Écrit par Pierre BAREYRE
    • 2 125 mots
    • 1 média
    Représentation schématique de la détection d'une gerbe atmosphérique d'ultra-haute énergie par le détecteur hybride Auger - crédits : Encyclopædia Universalis France
    Les neutrinos (ν), produits en grande abondance par des processus divers à des énergies qui s'étendent de 10—5 à 1015 électronvolts, peuplent l'Univers à raison d'environ 300 par centimètre cube. Sont-ils massifs ? Les mesures directes de leur masse, très difficiles, donnent des limites...
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Voir aussi

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