Physique des particules

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Distinguer les constituants de la matière n'est pas facile. Pour étudier ces particules dites élémentaires, on a besoin d'accélérateurs et d'ensembles de détection souvent gigantesques, comme ceux qui sont développés au Cern. En effet, les microscopes les plus puissants ne permettent pas d'atteindre des objets si petits, plongés au cœur de la matière.
Cette recherche, encore incomplète, a permis de dépasser la représentation admise jusqu'alors de l'atome formé d'électrons gravitant autour d'un noyau lui-même composé de protons et de neutrons.
Les physiciens ont mis en évidence que protons et neutrons sont eux-mêmes constitués de quarks et de gluons. On distingue six types de quarks, notés u, d, s, c, b et t. Les deux plus légers, u et d, forment la matière ordinaire. Chacun de ces quarks porte un nombre quantique de «couleur» : bleu, jaune ou rouge.
Les électrons, particules chargées, et les neutrinos, particules neutres encore énigmatiques, font partie d'une autre famille : les leptons. Les neutrinos interagissent si faiblement avec la matière qu'ils traversent aisément la Terre. Ils sont produits en abondance par le Soleil et toutes les étoiles.
Chaque particule a son antiparticule avec laquelle elle peut s'annihiler. Matière et antimatière sont comme l'image l'une de l'autre dans un miroir. De subtiles différences existent cependant. On les étudie actuellement afin de répondre à la question : pourquoi ne voit-on aucune antigalaxie dans l'Univers?
Neutrinos, électrons, et quarks. qui constituent la matière font partie de ce qu'on appelle les fermions. Ils agissent entre eux par l'intermédiaire d'interactions fondamentales. Au cours de ces interactions, des particules messagères (les bosons) sont échangées entre les particules de matière, modifiant parfois leurs caractéristiques.

On distingue quatre interactions fondamentales :
. la gravitation, qui règle les mouvements des étoiles et des planètes;
. l'électromagnétisme, qui fait tourner les électrons autour des noyaux atomiques;
. l'interaction nucléaire forte;
. l'interaction nucléaire faible.

Gravitation
On décrit la gravitation en disant que tout objet massif modifie les propriétés de l'espace, en créant autour de soi un champ qui peut être ressenti jusqu'aux distances les plus éloignées. L'intensité intrinsèque de la gravitation est en fait minime si on la compare aux autres interactions, mais les effets de toutes les masses s'ajoutent et deviennent gigantesques à l'échelle astronomique. On ne sait pas décrire de façon quantique la gravitation, mais on attribue tout de même l'interaction gravitationnelle à l'échange d'une particule encore mystérieuse, appelée graviton, dont on ne peut prédire que quelques propriétés.

Électromagnétisme
Les attractions ou répulsions entre objets légers porteurs d'une charge électrique manifestent l'existence d'une interaction. Les phénomènes électriques et magnétiques en sont deux manifestations apparemment différentes, mais en fait étroitement liées. Les particules chargées communiquent en créant autour d'elles un champ électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière jusqu'à de très grandes distances. La physique quantique décrit cette interaction comme l'échange de photons entre particules chargées.

Interaction nucléaire forte
L'interaction nucléaire forte est à l'origine de la stabilité des noyaux ; elle est aussi responsable des phénomènes de fission et de fusion nucléaires. Cette force nucléaire est la conséquence de l'interaction entre les quarks, interaction dont la portée est de l'ordre d'un femtomètre et dont l'intensité dépasse largement celles des autres forces. On sait définir une «charge d'interaction forte» qu'on a appelée charge de «couleur». On a mis en évidence la particule appelée gluon qu'échangent entre eux deux quarks porteurs d'une charge de couleur.

Interaction nucléaire faible
On décrit l'interaction nucléaire faible comme résultant de l'échange de bosons W et Z entre particules (électrons, neutrinos et quarks) portant une «charge faible». Cette interaction est beaucoup moins intense que l'électromagnétisme ; sa portée est inférieure à la taille des noyaux. Dans une désintégration bêta, un quark se transmute en un autre, ce qui transforme un neutron en proton, et provoque l'émission d'un boson W qui, immédiatement, se désintègre en un électron et un antineutrino.

Auteur : Bernard Pire