Modèle standard (physique des particules) - Définition

Les forces fondamentales de l'univers

Elles sont au nombre de quatre :

1. la force de gravitation : elle s'exerce sur toutes les particules proportionnellement à leur masse ;
2. la force électromagnétique : elle s'exerce sur les particules de matière électriquement chargées ;
3. la force nucléaire faible : elle concerne seulement certains quarks et leptons et est responsable des radioactivités β^- et β⁺.
4. la force forte, qui s'exerce entre les quarks, et dont dérive la force nucléaire, qui assure la cohésion du noyau atomique ;

Ces quatre forces sont décrites respectivement par quatre théories :

1. la relativité générale,
2. l'électrodynamique quantique,
3. la théorie électrofaible (en fait, elle associe force faible et force électromagnétique et englobe donc l'électrodynamique quantique),
4. la chromodynamique quantique,

les trois dernières étant regroupées dans le « modèle standard ».

Les particules ou quanta de matière

Les particules élémentaires de matière sont des fermions. Les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac ; ils sont donc de spin demi-entier ( 2k + 1 ) / 2 et sont soumis au principe d'exclusion de Pauli.

Les particules élémentaires de matière se répartissent en leptons et en quarks, suivant trois générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. Seules les particules de première génération forment la matière ordinaire. En effet, les protons sont formés de deux quarks up et d'un down, tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux down. Les particules de deuxième et troisième générations sont instables et se désintègrent rapidement en particules de première génération, plus légères.

Voici un tableau regroupant par génération les différents leptons et quarks. Pour ne pas surcharger ce tableau, les antiparticules n'y sont pas représentées.

Première génération

Particule	Notation	Charge électrique	Charge forte (*)	Masse	Spin
Électron	e	-1		511 keV/c2	1/2
Neutrino électronique	νe	0		< 2 eV/c2	1/2
Quark Up	u	2/3	rouge, vert, bleu	~ 3 MeV/c2	1/2
Quark Down	d	-1/3	rouge, vert, bleu	~ 6 MeV/c2	1/2

Deuxième génération

Particule	Notation	Charge électrique	Charge forte (*)	Masse	Spin
Muon	μ	-1		106 MeV/c2	1/2
Neutrino mu	νμ	0		< 2 eV/c2	1/2
Quark Charm	c	2/3	rouge, vert, bleu	~ 1.3 GeV/c2	1/2
Quark Strange	s	-1/3	rouge, vert, bleu	~ 100 MeV/c2	1/2

Troisième génération

Particule	Notation	Charge électrique	Charge forte (*)	Masse	Spin
Tau	τ	-1		1,78 GeV/c2	1/2
Neutrino tau	ντ	0		< 2 eV/c2	1/2
Quark Top	t	2/3	rouge, vert, bleu	171 GeV/c2	1/2
Quark Bottom	b	-1/3	rouge, vert, bleu	~ 4.2 GeV/c2	1/2

(*): A la différence du cas de l'électrodynamique quantique les charges faibles et fortes ne sont pas des nombres à proprement parler mais des représentations des groupes SU(2) et SU(3) qui décrivent mathématiquement respectivement l'interaction faible et l'interaction forte. Ainsi par exemple désigne la représentation triviale ce qui signifie que la particule n'est pas chargée sous le groupe correspondant.

Les quarks ne peuvent exister isolément. Tous les hadrons dont la découverte a été confirmée (PDG2009) se présentent sous forme de paires quark-antiquark (les mésons), ou de trios de quarks (les baryons).