Particule élémentaire - Définition

Les premières particules

L'idée voulant que la matière soit composée de constituants fondamentaux est très vieille. Les Grecs de l'antiquité, dont Démocrite, ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour faire référence à de tels constituants.

On crut déceler au XIXème siècle des éléments indissociables de la matière que l'on nomma donc atomes. Le XXème découvrit que ces "atomes" étaient eux-mêmes composés de plus petites particules : électron(s), proton(s) et neutron(s). Il fut décidé cependant de ne pas changer la terminologie existante et le paradoxe "briser un atome" devint courant. Il fut découvert que ces particules elles-mêmes pouvaient être vues comme assemblages d'objets plus petits, les quarks, assemblés toujours à plusieurs et de façons différentes.

On remarque que les protons et les neutrons ont des masses quasi-identiques. La valeur de l'unité de masse atomique (1 u.m.a.) est égale a 1 gramme divisé par le nombre d'Avogadro, si bien qu'une mole de nucléons pèse un gramme.

Les charges du proton et de l'électron sont exactement opposées, le neutron est exactement neutre électriquement. La charge élémentaire, e, vaut 1,6×10^-19 C.

Particules élémentaires du modèle standard

Fermions

Les fermions sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin demi-entier et respectant le principe d'exclusion de Pauli en accord avec le théorème spin-statistique. Il existe douze fermions décrits par le modèle standard.

Leptons

Parmi les douze fermions du modèle standard, six ne sont pas soumis à l'interaction forte et ne connaissent que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les leptons. L'interaction électromagnétique ne concerne que les particules portant une charge électrique, tandis que l'interaction faible agit sur tous les leptons, y compris électriquement neutres.

Chaque lepton a son antilepton, de même masse, même spin, mais de charge électrique opposée, d'isospin faible opposé ou encore d'hélicité inverse (gauche pour les neutrinos, droite pour les antineutrinos) :

• un antineutrino pour chaque saveur de neutrino
• le positon pour l'électron
• l'antimuon pour le muon
• l'antitau pour le tau

Quarks

Synthèse additive des couleurs primaires.

Parmi les douze fermions du modèle standard, six seulement connaissent l'interaction forte au même titre que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les quarks.

L'interaction forte est responsable du confinement des quarks, à cause duquel il est impossible d'observer une particule élémentaire ou composée dont la charge de couleur résultante n'est pas « blanche ». Il existe en effet trois « couleurs » (appelées conventionnellement rouge, vert, bleu en référence aux couleurs primaires) et trois « anticouleurs » (appelées conventionnellement antirouge, antivert et antibleu) qui obéissent aux règles suivantes, rappelant la synthèse additive des couleurs primaires :

• rouge + vert + bleu = blanc
• rouge + antirouge = blanc
• vert + antivert = blanc
• bleu + antibleu = blanc

Pour cette raison, les « anticouleurs » antirouge, antivert et antibleu sont généralement représentées respectivement en cyan, magenta et jaune.

Tout quark étant porteur d'une de ces trois charges de couleur (il n'existe pas de quark « blanc »), il doit nécessairement entrer en interaction avec ou bien un antiquark porteur de son anticouleur (ce qui donne un méson, qui est un boson composite), ou bien deux autres quarks porteurs des deux autres charges de couleur dont la résultante à trois sera « blanche » (ce qui donne un baryon, qui est un fermion composite) : c'est l'interaction forte.

Bosons

Les bosons sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin entier et étant régis par la statistique de Bose-Einstein : plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique, contrairement aux fermions.

Bosons de jauge

Douze bosons de jauge sont vecteurs des trois interactions du modèle standard :

• un photon, vecteur de l'interaction électromagnétique
• un boson Z et deux bosons W, vecteurs de l'interaction faible
• huit gluons, vecteurs de l'interaction forte.

Le tableau ci-dessous résume leurs propriétés :

Chacun de ces bosons est son antiparticule, hormis les bosons W ^– et W ⁺ qui sont antiparticules l'un de l'autre.

Autres bosons

À ces bosons de jauge du modèle standard s'ajoutent :

• le boson de Higgs, qui demeurait inobservé en juin 2010 bien qu'il fasse partie du modèle standard ; le boson de Higgs est responsable de la masse des particules dans ce modèle, mais n'est vecteur d'aucune interaction : ce n'est donc pas un boson de jauge.
• le graviton, introduit par les théories de gravité quantique, qui tentent d'intégrer la gravitation au modèle standard, et qui n'a également jamais été observé ; le graviton ne fait donc pas partie du modèle standard, mais serait un boson de jauge, vecteur de la gravitation.