Physique des particules - Définition

Introduction

Chambre à bulles exposée à l'extérieur d'un bâtiment (probablement utilisée par le Fermilab)
(photo du Fermilab)

La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires, instables, n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules stables dans les accélérateurs de particules.

Historique

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du VI^e siècle av. J.-C.. À l'époque, elle reposait au fond sur l'incapacité à maîtriser la notion de continu : voir les paradoxes de Zénon d'Élée.

La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite et Épicure. Bien qu'au XVII^e siècle, Isaac Newton ait pensé que la matière soit composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules. Cette hypothèse ne devint réellement scientifique qu'à partir du moment où l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)

En 1869, le premier tableau périodique de Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalant durant tout le XIX^e siècle que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.

Au XX^e siècle, les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, avec les preuves spectaculaires de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, donnèrent naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or.

Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de collision : un « zoo de particules ». Cette expression perdit de son intérêt après la formulation du modèle standard dans les années 1970, car le grand nombre de ces particules put être conçu comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales, encore que le calcul des propriétés des particules composées en soit encore à ses balbutiements, et que les nombreux paramètres du modèle standard n'aient pas trouvé d'explication satisfaisante pour leurs valeurs.

Les grandes dates

• 1873 : Maxwell réalise d'importantes recherches dans quatre domaines : la vision de la couleur, la théorie moléculaire, l'électricité et le magnétisme. Il arrive à unifier les deux derniers par une théorie unique, l'électromagnétisme. Cette théorie de Maxwell permet de décrire la propagation des ondes lumineuses dans le vide et d'en prédire un spectre de fréquences théoriquement illimité.
• 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron et estime sa masse.
• 1895 : Röntgen découvre les rayons X.
• 1896 : Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium.
• 1897 : Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
• 1898 : Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs.
• 1900 : Planck, afin d'interpréter les variations de couleur d'un corps incandescent en fonction de la température, et de résoudre certains problèmes mathématiques liés à ce problème, suggère un artifice : le rayonnement est quantifié (pour chaque fréquence, il est émis par paquets d'énergie, de valeur, ou quantum, dépendant de la fréquence).
• 1905 : Einstein propose qu'un quantum de lumière, qui sera nommé en 1926 « photon », se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte.
• 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité de Rutherford, envoient des particules alpha sur une mince feuille d'or et observent parfois de grands angles de diffusion, ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense (la collision est rare) à l'intérieur de l'atome.
• 1911 : Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Geiger et Marsden.
• 1913 : Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
• 1919 : Rutherford prouve l'existence du proton.
• 1921 : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensité maintient le noyau uni, malgré la répulsion électrostatique coulombienne entre protons.
• 1923 : Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
• 1924 : de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour les particules formant la matière.
• 1925 : Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
• 1926 : Schrödinger développe la mécanique ondulatoire, qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumière.
• 1927 : Découverte de la désintégration β.
• 1928 : Dirac propose son équation d’onde relativiste pour l’électron.
• 1930 : Pauli suggère l’existence d'un neutrino invisible, afin d'interpréter l'apparente disparition de l'énergie dans la désintégration β.
• 1930 : Particules élémentaires, incluant l'électron, le proton, le neutron (dans le noyau), le neutrino dans la désintégration β, le photon, quantum de champ électromagnétique.
• 1931 : Découverte du positron (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
• 1932 : James Chadwick découvre le neutron .
• 1933/34 : Fermi formule sa théorie sur la désintégration β (interaction faible) : ex. .
• 1935 : Yukawa formule son hypothèse sur les mésons : La force nucléaire est due à l’échange de particules massives, les mésons.
• 1937 : Découverte du lepton µ. Bien qu'ayant à peu près la masse prévue pour le méson de Yukawa, il n'a pas d'interactions assez fortes avec la matière pour jouer ce rôle.
• 1938 : Énoncé de la loi de conservation du nombre baryonique.
• 1946/1947 : Découverte du méson chargé , le pion (Powell), prédit en 1935. Le est produit par la désintégration β : .
• 1946/1950 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
• 1948 : Production artificielle du .
• 1949 : Découverte du .
• 1950 : Découverte du pion neutre, .
• 1951 : Découverte d'événements en « V » : désintégration de particules et ayant une vie moyenne « étrangement » longue. Ceci est interprété en termes d'un nouveau nombre quantique, l'« étrangeté », conservé par les interactions fortes et électromagnétiques.
• 1952 : Découverte du Δ (état excité du nucléon).
• 1954 : Yang et Mills proposent les théories de jauge non-abéliennes.
• 1955 : Découverte de l'antiproton (Chamberlain et Segrè).
• 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut engendrer une violation de la parité.
• 1956 : Découverte de la violation de la parité dans les atomes de ⁶⁰Co par Chien-Shiung Wu et Amber.
• 1960/1970 : Découverte de centaines de particules « élémentaires » :
• 1961 : Murray Gell-Mann propose la « voie octuple » SU(3)pour classer toutes ces particules.
• 1962 : Découverte des deux neutrinos et .
• 1964 : Existence des quarks et (postulée par Gell-Mann et Zweig), constituants qui pourraient être à la base du classement par SU(3).
• 1964 : Un nouveau quark, , est suggéré.
• 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes par Cronin, Fitch, Christenson et Turlay.
• 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre. C'est pourquoi on ne peut observer les quarks colorés.
• 1967 : Glashow, Salam et Weinberg proposent un schéma d’unification des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l’existence du boson de Higgs et des bosons lourds et , des dizaines de fois plus massifs que les particules élémentaires connues à ce jour.
• 1968-1969 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon.
• 1973 : Énoncé de la théorie des interactions fortes entre particules colorées (QCD). Prédiction de l’existence des gluons.
• 1973 : Liberté asymptotique postulée.
• 1974 : Découverte du et de particules contenant un quark charmé , à l'Université Stanford et à Brookhaven.
• 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le .
• 1976 : Découverte du méson charmé et confirmation de l’existence du quark .
• 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom , au Fermilab.
• 1979 : Mise en évidence d’un gluon à DESY.
• 1983 : Découverte du et du au CERN.
• 1990 : L'étude de la désintégration du au LEP (CERN) montre que le nombre de neutrinos « légers » ( GeV) est limité à 3.
• 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top , au Fermilab.
• 1998 : Preuve de l'existence de neutrinos de masse non-nulle au Super-Kamiokande.