Physique des particules - Définition et Explications

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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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) qui étudie les constituants élémentaires de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) 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 VIe 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 (L'atomisme est une théorie philosophique proposant une conception d'un univers composé de matière et de vide. Selon les atomistes, les atomes composant l'univers sont tous de même...) a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite et Épicure. Bien qu'au XVIIe siècle, Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre 1642 J – 20 mars 1727 J) est un philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste et astronome anglais. Figure...) ait pensé que la matière soit composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est constitué d'atomes minuscules. Cette hypothèse ne devint réellement scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) qu'à partir du moment où l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)

En 1869, le premier tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique de Mendeleïev permit d'affermir le point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) prévalant durant tout le XIXe 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.

Au XXe siècle, les progrès de la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et de la physique quantique, avec les preuves spectaculaires de la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de...) et de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion...), donnèrent naissance à une industrie capable de produire un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation (La transmutation est la transformation d'un élément chimique en un autre par une modification du noyau atomique de l'élément. Elle est aussi appelée transmutation nucléaire.) de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) 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 (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant...) 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 couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) moléculaire, l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) et le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou...). Il arrive à unifier les deux derniers par une théorie unique, l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique...). Cette théorie de Maxwell permet de décrire la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement...) lumineuses dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et d'en prédire un spectre de fréquences théoriquement illimité.
  • 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et estime sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...).
  • 1895 : Röntgen découvre les rayons X.
  • 1896 : Becquerel découvre la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour...) de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...).
  • 1897 : Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
  • 1898 : Marie et Pierre Curie (Pierre Curie (15 mai 1859 à Paris - 19 avril 1906 à Paris) est un physicien autodidacte français. Il est principalement connu pour ses travaux en radioactivité, en magnétisme et en...) séparent les éléments radioactifs.
  • 1900 : Planck, afin d'interpréter les variations de couleur d'un corps incandescent en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...), et de résoudre certains problèmes mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les...) liés à ce problème, suggère un artifice : le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) est quantifié (pour chaque fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...), il est émis par paquets d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), de valeur, ou quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...), dépendant de la fréquence).
  • 1905 : Einstein propose qu'un quantum de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), 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 (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ) des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein en 1905 en vue de tirer toutes les conséquences...).
  • 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité de Rutherford, envoient des particules alpha sur une mince feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la...) d'or et observent parfois de grands angles de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...), ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense (la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) 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 (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.).
  • 1921 : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de grande intensité maintient le noyau uni, malgré la répulsion électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque...) 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 (La mécanique ondulatoire est, comme son nom l'indique, une mécanique régie par la propagation d'une onde de probabilité.), qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les...). Lewis propose le nom de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) pour le quantum de lumière.
  • 1927 : Découverte de la désintégration β.
  • 1928 : Dirac propose son équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à...) d’onde relativiste pour l’électron.
  • 1930 : Pauli suggère l’existence d'un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) invisible, afin d'interpréter l'apparente disparition de l'énergie dans la désintégration β.
  • 1930 : Particules élémentaires, incluant l'électron, le proton, le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour un...) (dans le noyau), le neutrino dans la désintégration β, le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma) est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...), quantum de champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer...).
  • 1931 : Découverte du positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le...) \scriptstyle e^+ (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
  • 1932 : James Chadwick découvre le neutron \scriptstyle n.
  • 1933/34 : Fermi formule sa théorie sur la désintégration β (interaction faible) : ex. \scriptstyle n \to p + e^- +  \bar{\nu}_e.
  • 1935 : Yukawa formule son hypothèse sur les mésons : La force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut...) est due à l’échange de particules massives, les mésons.
  • 1937 : Découverte du lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec signifiant « léger » et se...) µ. Bien qu'ayant à peu près la masse prévue pour le méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) de Yukawa, il n'a pas d'interactions assez fortes avec la matière pour jouer ce rôle.
  • 1938 : Énoncé de la loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce...) du nombre baryonique (En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être défini comme le tiers du nombre de quarks moins le nombre...).
  • 1946/1947 : Découverte du méson chargé \scriptstyle\pi^\pm , le pion (Le Pion est un film français réalisé par Christian Gion en 1978.) (Powell), prédit en 1935. Le \scriptstyle\mu est produit par la désintégration β : \scriptstyle\pi^+\to\mu^+ +\nu_\mu .
  • 1946/1950 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
  • 1948 : Production artificielle du \scriptstyle \pi^+ .
  • 1949 : Découverte du \scriptstyle K^+.
  • 1950 : Découverte du pion (Le terme Pion peut désigner :) neutre, \scriptstyle \pi^0\to\gamma+\gamma.
  • 1951 : Découverte d'événements en « V » : désintégration de particules \scriptstyle K^0 et \scriptstyle \Lambda ayant une vie (La vie est le nom donné :) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) « étrangement » longue. Ceci est interprété en termes d'un nouveau nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique définit la valeur d'une quantité...), 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 ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un effort mécanique en résistance électrique, La...) non-abéliennes.
  • 1955 : Découverte de l'antiproton \scriptstyle \bar{p} (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 » : \scriptstyle (\rho,~\omega,~K^\ast,~\Sigma,~\Xi, ~\ldots)
  • 1961 : Murray Gell-Mann propose la « voie octuple » SU(3)pour classer toutes ces particules.
  • 1962 : Découverte des deux neutrinos \scriptstyle\nu_\mu et \scriptstyle\nu_e .
  • 1964 : Existence des quarks \scriptstyle u,~d et \scriptstyle s (postulée par Gell-Mann et Zweig), constituants qui pourraient être à la base du classement par SU(3).
  • 1964 : Un nouveau quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.), \scriptstyle c, est suggéré.
  • 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes \scriptstyle K^0 - \bar{K}^0 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 (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé « boson...) et des bosons lourds \scriptstyle Z^0 et \scriptstyle W^\pm, des dizaines de fois plus massifs que les particules élémentaires connues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...).
  • 1968-1969 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est...).
  • 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 \scriptstyle J/\psi et de particules contenant un quark charmé \scriptstyle c, à l'Université Stanford (La Leland Stanford Junior University, plus connue sous le nom d'université Stanford, est l'une des plus prestigieuses universités américaines. Située au cœur de la Silicon...) et à Brookhaven.
  • 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le \scriptstyle \tau^-.
  • 1976 : Découverte du méson charmé \scriptstyle D^0 et confirmation de l’existence du quark \scriptstyle c.
  • 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom \scriptstyle b, au Fermilab.
  • 1979 : Mise en évidence d’un gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble, ce qui permet l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres hadrons. Ils ont une masse probablement...) à DESY (Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, « Synchrotron d'électrons allemand ») est un important centre de recherche en Europe en physique des particules et en rayonnement synchrotron.).
  • 1983 : Découverte du \scriptstyle Z^0 et du \scriptstyle W^\pm au CERN.
  • 1990 : L'étude de la désintégration du \scriptstyle Z^0 au LEP (CERN) montre que le nombre de neutrinos « légers » (\scriptstyle m \,<\, 45 GeV) est limité à 3.
  • 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top \scriptstyle t, au Fermilab.
  • 1998 : Preuve de l'existence de neutrinos de masse non-nulle au Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000...).
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