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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

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.

Modes d'interaction des quarks et des leptons - crédits : Encyclopædia Universalis France

Modes d'interaction des quarks et des leptons

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.

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[...]

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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

Classification

Pour citer cet article

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

Article mis en ligne le et modifié le 21/03/2024

Médias

Niveaux de structure - crédits : Encyclopædia Universalis France

Niveaux de structure

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

Énergie nucléaire

Particules élémentaires : propriétés - crédits : Encyclopædia Universalis France

Particules élémentaires : propriétés

Autres références

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    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...

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    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.
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