Particules subatomiques

Toutes les structures plus petites que l’atome sont considérées comme des particules subatomiques. Ils sont chargés de donner des propriétés à la matière et leur découverte nous a permis de comprendre de nombreux phénomènes de notre univers.

La physique qui régit le petit monde des particules subatomiques est la physique quantique, plus précisément la théorie quantique des champs. Ce domaine de la physique décrit théoriquement les différentes caractéristiques de ces particules et a représenté une grande avancée dans la physique moderne.

Tout au long de l’histoire, les humains ont toujours essayé de comprendre de quoi est faite la matière qui nous entoure. Pendant des siècles, on a cru que l’atome était la partie indivisible de la matière.

Aujourd’hui, nous savons que ce n’est pas le cas. Il existe un monde rempli de particules plus petites que l’atome et beaucoup d’entre elles n’existent pas naturellement sur notre planète car elles sont très instables.

Pour cette raison, nous avons construit de grands accélérateurs de particules dans lesquels nous générons des sous-particules très instables que nous ne pourrions pas détecter naturellement. Nous découvrons ainsi progressivement de plus en plus de sous-particules atomiques, comme par exemple le fameux boson de Higgs.

Les particules subatomiques sont classées selon le modèle standard en plusieurs groupes. Le premier niveau de classification est celui des bosons et des fermions.

Les fermions sont considérés comme les structures qui forment la matière et les bosons sont considérés comme ceux qui médient l'interaction entre les différents fermions.

Nous ferons ensuite une introduction aux particules subatomiques, composites et élémentaires les plus importantes de la physique moderne.

Les fermions sont un type de particule dont la fonction est de constituer la matière. Ce type de structure est décrit par une fonction d'onde quantique antisymétrique qui suit le principe d'exclusion de Pauli.

Ce principe dit que deux fermions ne peuvent pas être dans le même état quantique. De plus, ces types de particules ont des spins demi-entiers. Nous pouvons classer les fermions en quarks et leptons.

Les quarks sont des particules élémentaires qui s'assemblent par forte interaction nucléaire pour former des hadrons, à l'intérieur desquels se trouvent des protons ou des neutrons.

Nous connaissons 6 types de quarks : le quark up, le quark down, le quark charme, le quark étrange, le quark top et le quark bottom.

La chromodynamique quantique est la théorie quantique des champs qui décrit le comportement de l'interaction des quarks dans le noyau et du boson qui médie cette interaction : les gluons.

Les leptons sont un type de fermion qui suivent les statistiques de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'ils ont un spin ½ et respectent le principe d'exclusion de Pauli.

Au total il existe 6 leptons différents selon leurs propriétés. Ce sont l'électron, le muon, le tauon et leurs neutrinos correspondants, le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauon.

Les hadrons sont des particules composées de quarks qui sont maintenus ensemble grâce à l'échange de bosons appelés gluons, médiateurs de la forte interaction nucléaire.

Nous pouvons classer les hadrons en baryons et mésons. Les baryons sont des hadrons constitués de 3 quarks avec des charges de couleurs différentes. Les exemples les plus connus de baryons sont les particules composites qui composent le noyau atomique, les neutrons et les protons.

Les mésons sont des hadrons formés par l'union d'un quark et d'un antiquark.

Les bosons sont les particules élémentaires qui génèrent les forces fondamentales de l'univers.

Selon la théorie quantique des champs, les interactions existantes sont une conséquence de l’échange de bosons entre fermions. Par exemple, la force électrique ressentie entre deux charges est due à l’échange de photons.

Les quarks sont maintenus ensemble dans le noyau atomique grâce à la forte force nucléaire, c'est-à-dire à l'échange de bosons appelés gluons.

Les photons sont des particules fondamentales qui composent la lumière. Les photons voyagent dans le vide à une vitesse de 300 000 km/s et n'ont aucune masse. Ils sont porteurs de tous types de rayonnements comme la lumière infrarouge, la lumière ultraviolette, la lumière visible, les rayons X ou encore les rayons gamma.

Les gluons sont les bosons qui génèrent la forte interaction nucléaire. Ils possèdent une propriété quantique caractéristique appelée charge de couleur. La charge colorée a pour fonction de maintenir les quarks ensemble dans le noyau atomique.

Les gluons, plus précisément, le champ qui leur est associé (champ de gluons) est chargé de donner de la masse aux baryons comme les protons ou les neutrons.

Ces types de bosons sont responsables de la faible force nucléaire. Cette force intervient dans la désintégration radioactive des noyaux atomiques instables.

La théorie électrofaible décrit l'interaction nucléaire faible comme un champ de Yang-Mills associé à une symétrie de jauge SU(2). Les bosons W et Z sont des particules générées par l’excitation de ce champ quantique de jauge.

Le graviton est une particule hypothétique qui serait à l’origine de l’interaction gravitationnelle. Son existence n'a pas encore été confirmée expérimentalement, seulement par des théories telles que la théorie des cordes pour tenter de quantifier la gravité.

Selon les modèles théoriques, le graviton doit avoir un spin de 2, sans charge et avec une masse pratiquement nulle.

La théorie des cordes décrit le graviton comme une corde fermée ou brane. Cela expliquerait la faiblesse de ce type de force et pourrait également exercer la force gravitationnelle dans d'autres dimensions au-delà des 3 dimensions de notre univers.

Les particules virtuelles sont un type de particules subatomiques qui vivent très peu de temps et leurs propriétés sont difficiles à obtenir.

Selon les théories modernes, les forces fondamentales sont une conséquence de l’échange de bosons. Ces bosons seraient des particules virtuelles avec des durées de vie très courtes.

Par exemple, les photons sont de véritables particules lorsqu’ils transmettent un rayonnement électromagnétique tel que la lumière. Cependant, lorsqu’ils agissent comme médiateurs de la force électromagnétique, ils agissent comme des particules virtuelles.