Physique des particules | matiere-antimatiere

La physique des particules étudie les constituants de la matière ainsi que leurs interactions. Le modèle standard a pour but d’expliquer l’univers observable. Les particules et leurs interactions ont été construites après le bigbang ainsi que les 4 forces de l’univers : interaction forte, interaction faible, force électromagnétique, et la gravitation. Les particules subatomiques sont seulement détectables si on y applique une énergie suffisante de l’ordre du GeV.

MODÈLE STANDARD

Le modèle standard est un tableau classant par familles les différents constituants de la matière. On en compte 12 (électrons, muons, neutrino et quarks) et les bosons qui symbolisent les forces de l’univers. Ce sont des particules qui transportent les interactions fondamentales. Les particules élémentaires sont réparties en 3 générations de la matière selon leur poids (du plus faible au plus lourd). Dans la nature nous ne trouvons que des particules de 3ème génération. Les particules de ces 3 familles ont les mêmes propriétés. Au commencement, lors de la période du bigbang toutes ces particules coexistaient mais les particules les plus lourdes se sont désintégrées en particules légères. Toutes les particules élémentaires sont nommées fermions et distinguées en deux classes : les quarks et les leptons.

QUARKS

D’où vient la charge positive des protons ? Le proton est formé de 2 quarks up et d’1 quark down. Le modèle standard nous apprend que le quark up à une charge de +2/3 et que le quark down a une charge de -1/3. Ainsi la charge du proton est de +2/3 +2/3 -1/3 cela fait +1.

D’où vient la neutralité des neutrons ? Le neutron est composé d’un quark u et de 2 quarks d, d’où la charge du neutron est de -1/3 -1/3 +2/3 ce qui fait 0.

A noter que des particules peuvent être constituées de plus ou moins de 3 quarks. Par exemple, les pions sont des particules chargées composées de 2 quarks. Il existe aussi des particules appelées pentaquarks ou tétraquarks,

respectivement composées de 5 et 4 quarks.Néanmoins, les particules ne sont pas "vraiment" composées de quarks : ces derniers ne sont qu'un moyen de se représenter la charge électrique d'une particule, au moyen d'une particule subatomique nommée "quark".

LE NEUTRINO

Le neutrino est une particule élémentaire. Elle traverse notre corps sans cesse : c’est-à-dire 60 milliards de neutrinos par cm^2 par seconde. Ils proviennent du Soleil ou des explosions de supernovae par exemple. Beaucoup d’éléments de notre planète ne sont pas stables, ils se désintègrent. C’est la radioactivité naturelle. Il existe un autre type de radioactivité due à la désintégration bêta. L’atome est traversé par des neutrinos et un proton se transforme en neutron en émettant un électron et un antineutrino. Pauli introduit cette particule au modèle standard pour expliquer cette désintégration. Un phénomène n’était pas prévu par le modèle standard : la transformation des neutrinos dans différentes familles. Par exemple, le neutrino muonique créé à la source, durant son voyage dans l’espace temps, se transforme en neutrino électronique ( neutrino tauique ). Cette transformation est nommée oscillation. Dans le modèle standard, le neutrino n’a pas de masse, cependant pour osciller il se doit d’être massique. Le tableau standard des éléments est alors remis en question.

LES 4 FORCES

1963 : Arrigo Finzi, en se basant sur le mouvement des amas globulaires autour de notre galaxie, calcule pour sa masse une valeur 3 fois plus grande que celle provenant des mesures de rotation de la partie centrale. Elle propose une modification de la loi de Newton à grande distance.C’est au XVIIème siècle que la force gravitationnelle est découverte par Isaac Newton. C’est non seulement la force la plus faible de l’univers mais celle qui a

la plus grande portée : elle agit sur tout corps ayantune masse. L’intensité de cette force dépend de la masse de l’objet. La force électromagnétique lie les électrons au noyau. Elle permet aux atomes de former des molécules. Cette force est ressentie par les quarks et les leptons chargés, elle est portée par les photons. La force nucléaire faible permet aux protons de se transformer en neutrons et vice versa lorsque les conditions si prêtent : lors de la radioactivité bêta.

La force nucléaire forte est celle qui permet de "cimenter" les nucléons entre eux dans le noyau d’un

atome et c’est aussi elle qui permet d’assembler 3 quarks entre eux par 3 à l’intérieur des nucléons.

LE BOSON DE HIGGS

D’où vient la masse des particules ? Comment ont-elles acquéri de la masse au commencement de l’univers ? Toute substance a une masse. Cela est contesté par des scientifiques qui se demandent si les particules n’ont pas une masse due au fait qu’elles interagissent avec le vide. Monsieur Philippe Warren Anderson, en collaboration avec Robert Brout, et Peter Higgs ont formulé l’explication possible de l’origine cette masse qui serait l’existence d’un champs de Higgs à travers duquel les particules se déplacent et acquièrent de la masse. Le boson de Higgs serait à l’origine de la masse.

Au tout début de l’univers les particules seraient générées sans masse et seraient en interaction avec ce boson de Higgs.

Un collisionneur de particules a été construit : le LHC qui est un accélérateur de particules et utilise des champs électriques ou magnétiques pour mener des particules chargées électriquement à des visites très élevées en leur communiquant de l’énergie et ainsi recréer les premiers instants du Big Bang. Le champs de Higgs interviendrait à ce moment là.

Le LHC (Large Hadron Collider) fait circuler des protons et des ions de très haute énergie dans 2 faisceaux tournant en sens inverse afin que les particules s’entrechoquent. Les faisceaux se composent de centaines de milliers de protons répartis dans des paquets à une vitesse de 99,99% de la vitesse de la lumière. Le LHC se situe sous la plaine du lac Lima entre Genève et le Jura, à une profondeur comprise entre 50 et 175m sous terre. Le LHC fait 26,659 km de circonférence. Les 8 secteurs du LHC sont abaissés à la température de -271 °C, ainsi il n’y a plus d’énergie perdue par dissipation de chaleur ce qui permet d’y faire circuler des particules sans perte de puissance. Ils courbent les faisceaux aux 4 points d’intersection entre les particules. Les faisceaux de particules subatomique de la famille des hadrons

circulent à l’intérieur de l’accélérateur, emmagasinant de l’énergie à chaque tour. Les 4 points d’intersection sont les expériences ATLAS CMS ALICE ET LHCb. L’énergie produite lors de la rencontré protons /ions est transformée au moment du choc en particules exotiques. Les détecteurs peuvent voir jusqu'à 600 millions de collisions par secondes .