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La physique quantique & L'univers des particules élémentaires (I)
Je m'étonne à chaque fois que je consulte la liste des prix Nobel. Tout au long de l'existence de la prestigieuse Académie suédoise des sciences, il ne s'est pas écoulé une année sans qu'une découverte fondamentale ne soit faite en physique. L'inventivité, l'acharnement et la patience des hommes est phénoménale. Leur travail soutenu mérite notre respect et notre attention.[1] Nous sommes également quelque part complice de cette aventure. Nous utilisons leurs découvertes pour faire de nouvelles hypothèses et pour créer de nouveaux outils qui feront progresser la science. Sans leurs travaux, Platon aurait encore voix de citer. Mais au fait, que disait-il à propos de l'univers et de la matière ? Platon affirmait que le feu, l'air, l'eau et la terre étaient les quatre éléments fondamentaux du milieu spatial. Chacun était représenté par une figure géométrique, un polyèdre régulier plus ou moins complexe dont les combinaisons étaient capables de produire les "phénomènes de génération", les substances les plus complexes[2]. Mais le modèle de Platon n'était pas parfait. L'eau, l'air et le feu pouvaient se transformer les uns dans les autres mais pas la terre qui pouvait se décomposer. Aristote critiquera cette conception[3]. A lire sur le blog : Le LHC a été inauguré au CERN (10 sept. 2008)
Platon restait
impuissant à expliquer le rapport des surfaces ou des volumes des formes
géométriques différentes du cube. Son modèle cosmologique fonctionnait
quasiment bien en deux dimensions, mais dans l'espace il devait faire
appel au démiurge[4].
L'expérimentation étant encore à ses balbutiements, les mathématiques
étaient primitives et les outils de mesures ne disposaient pas encore d'étalon
de référence. Dans ces conditions, il n'est pas exagéré de dire que
jamais Platon n'a soumis ses théories au verdict de l'expérience comme
l'aurait souhaité Aristote. A la même époque, le philosophe grec Démocrite considérait déjà que la matière était constituée d'atomes qui se déplaçaient dans le vide de façon mécaniste. Son intuition ne sera reconnue que... 2200 ans plus tard par Lavoisier. De nos jours, grâce à l'invention des accélérateurs de particules et autres collisionneurs, sur quelque 9000 noyaux pouvant théoriquement être créés, les physiciens en ont étudié quelque 2000, parmi lesquels 92 seulement sont des noyaux naturels, les 83 premiers étant stables sur Terre.
En étudiant les débris du Big Bang, les physiciens ont pu regrouper les particules en un certain nombre de familles. D'un autre côté, grâce aux accélérateurs de particules, théoriciens et expérimentateurs connaissent à présent les énergies requises pour créer la matière. Les hadrons : baryons et mésons les physiciens regroupent les composants de la matière en deux familles : les hadrons et les leptons, selon qu'ils ressentent ou non les interactions fortes.
Les hadrons (mot qui vient du grec hadros qui veut dire fort) sont subdivisés en baryons (proton, neutron et hypérions) et mésons (p ou pion, k ou kaon, h ou eta, etc), selon la valeur de leur nombre de spin et leurs propriétés. Tous les baryons ont une antiparticule de même charge. Ce sont aussi les constituants les plus lourds de la matière (0.9 à 1.7 GeV[5]). Parmi les hadrons, le méson h est la seule particule à présenter un seul état, celui dans lequel sa charge est neutre. Toutes les autres existent sous différentes formes, à l'état de particule ou d'antiparticule, présentant une charge positive, négative ou neutre. p° est sa propre particule. C’est comme l’on dit un “état propre de la conjugaison de charge”. Etant
donné que les baryons assurent une certaine cohésion aux noyaux, leur
interaction a une portée limitée, permettant aux nucléons de se briser
ou fusionner. C'est le physicien japonais Hideki Yukawa qui prédit
l'existence d'une particule appelée par la suite méson, pour servir de
vecteur à cette interaction nucléaire forte. Nous détaillerons ce médiateur
un peu plus loin. La
famille des hadrons regroupe donc les particules sensibles aux
interactions fortes qui maintiennent la cohésion des nucléons dans le
noyau. Outre les 92 éléments du tableau périodique, environ 250 autres
particules ont été créées en laboratoire et complètent cette liste Les hadrons sont constitués de 3 quarks : les baryons contiennent 3 quarks, les antibaryons 3 antiquarks. Les mésons contiennent 2 quarks. Les quarks n'ont plus un nom mais une "saveur" différente (en anglais flavor) : up, down, strange, charm, bottom, top dont on retiendra la première lettre. Ces quarks auraient tout aussi bien pu s'appeler “hydrogène" ou "électron" mais ces noms étaient déjà utilisés !... Les physiciens ont donc préféré sortir du cadre ordinaire des noms de baptême en laisser libre cours à leur imagination. A
consulter : Caractéristiques des
principales particules
Pour expliquer certaines anomalies, les physiciens ont attribué une "couleur" aux quarks pour préciser, non pas leur charge électrique, mais une propriété équivalente concernant l'interaction forte. Elle peut être rouge, verte ou bleue (antirouge, antiverte ou antibleue pour les antiquarks). Pour expliquer l'existence de la charge électrique entière des hadrons (mésons et baryons), les physiciens combinent les quarks de façon "incolores", c'est la "chromodynamique quantique" ou CDQ en abrégé, par référence à l'électrodynamique quantique, l'EDQ. Leur charge électrique est comparée à celle de l'électron prise pour unité. La charge est de +2/3 pour les quarks u, c, t et de -1/3 pour les quarks d, s, b. Ainsi que pour les autres chapitres de cet article, vous trouverez plus de détails dans mon livre (voir au bas de la page 2). Les
leptons La seconde famille de fermions regroupe les leptons. En vertu des lois de la théorie électrofaible se sont des particules élémentaires constituées de 2 quarks. La lettre "l" de lepton signifiait par le passé que ces particules étaient relativement légères, mais ce qualificatif n'a plus de sens aujourd'hui. Les physiciens connaissent 6 leptons et 6 antileptons (électron, muon, tauon auxquels sont associés 3 neutrinos plus leur antiparticule). Tous ont un spin égal à 1/2 h et ne ressentent pas les interactions fortes. Deuxième partie
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