Physique des particules:

Si le Big-Bang est une apparition, celle de l'univers celle de tout ce qu'il faut pour que le Monde d'aujourd'hui ressemble à ce qu'il est, alors les petites choses à partir desquelles tout le reste peut exister, ce qui semble exister de plus petit d'après les connaissances actuelles, sont apparues dès la naissance de cet Univers. Voici ce qu'on a découvert sur elles.

Mais il faut être relativement prudent avec les observations faites car elles reflètent souvent ce que l'on a "envies" de voir. Dans les expériences de fentes de Young, en fonction des capteurs utilisés on pouvait observer des corpuscules ou des ondes à partir d'une même source. Niels Bohr disait à ce propos; "Le but de la physique n'est pas de découvrir ce qu'est la nature mais ce que l'on peut dire sur elle". Albert Einstein disait aussi: "L'espace et le temps sont les modes par lesquels nous pensons et non les conditions dans lesquels nous vivons"

Les Particules Subatomiques

     "Particule élémentaire" désignait à son origine le concept de "Particule indivisible", soit  la brique de base (niveau 0). Après quelques constats bien entiers, il s'applique maintenant à l'ensemble des Particules subatomiques (= plus petits que des atomes) composant la Matière et la Lumière.

     Il s'avère que la grande famille des Particules subatomiques possède plusieurs niveaux de Particules, certaines se regroupant pour former d'autres Particules..   Aussi, existe t-il  donc des Particules souches et des Particules composées, celles-ci étant réparties dans des grands groupes fonction de leur constitution et de leur propriété..

     L'environnement particulaire.

Le Corps Humain, organisme d'une complexité saisissante et ses systèmes sont constitués d'organes

Eux-mêmes SONT constitués de tissus à leurs tours faits d'un ensemble de cellules (60000 milliards).

Les cellules sont composés de molécules, elles-mêmes faites de différents atomes dont la cohésion est assurée par des liaisons électroniques rendant l'ensemble stable, la charge des électrons (négative) étant égale à celle du noyau (positive). A cette échelle, le Temps semble comme accéléré, par exemple, un atome de césium vibre 9 192 631 770 fois par seconde.

Le noyau atomique est la masse centrale constituée de protons et de neutrons (sauf l'atome d'Hydrogène [H] qui ne possède qu'un proton) , appelés génériquement des nucléons. Ces derniers sont constitués de quarks. La taille d'un quark est de l'ordre de l'attomètre, soit 10^{-18 mètres.}

     En 2004, les théories sur les Particules subatomiques de l'Univers postulent l'existence de 2 superfamilles. La 1ère représente toute les Particules de Matière (quarks et leptons), la 2nde, les Particules d'interaction (bosons).

Les Quarks

L’hypothèse de l’existence des quarks a été proposée en 1963 par les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig. Le terme quark est tiré d’une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce :« Three quarks for Mr Mark ». (Les trois quarks de Monsieur Mark).

     A ce jour, on connaît 6 sortes de quarks, ils se définissent par plusieurs caractères : leur « saveur », leur masse, leur charge électrique, leur « couleur » et leur « spin » chacun d'entre eux possède son Antiparticule, ou antiquark, de charge opposée.

Dans la nature, seuls les quarks up, down et strange existent, les trois autres étant créés en laboratoire. Les antiquarks sont également produits artificiellement dans des accélérateurs de particules.

      La masse d’un quark s’exprime souvent en mégaélectronvolts (MeV), conformément à l’équation traduisant l’équivalence masse énergie de la théorie de la Relativité: E = mc². L'électronvolt est la quantité d'énergie reçue par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 Volt. Un électronvolt est égal à environ 1,6.10^-19 Joules.

      La charge d’un quark a la particularité d’être fractionnaire, pouvant être égale à +2/3 ou à -1/3 de la charge élémentaire du proton valant 1,6 10^-19 Coulombs.

      La couleur d'un quark (rouge, vert ou bleu) est une caractéristique quantique due à l’interaction entre les quarks appelée interaction chromique ou interaction nucléaire forte. Elle est décrite par la chromodynamique quantique. Cette théorie stipule que, les quarks vont s’attirer de façon à former des objets neutres (un quark de chaque couleur), non colorés, c’est-à-dire blancs. Les antiquarks ont des couleurs différentes appelées "anticouleurs" qui sont le cyan, le magenta et le jaune. Il appliques aussi la règle de neutralité.

     Le spin d'un quark est une propriété apparentée, mais non identique, à la notion ordinaire de rotation, appelée "moment angulaire de spin" et correspondant à peu près à l'aspect que la Particule présente quand on la regarde selon des directions différentes ; celui-ci est bien différent du mouvement angulaire orbital, c'est à dire le mouvement spatial de la Particule. Dans l'usage courant, dire qu'une particule a un spin de 1/2 signifie que son moment angulaire de spin est égal à 1/2.

     Les quarks et/ou les antiquarks se regroupent dans une famille de Particules: les "hadrons".

Les Hadrons (qui veut dire fort)

     Ensemble des particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, composées de 2 ou 3 quarks. Tous les hadrons, à l'exception des protons et des neutrons nucléaires, sont instables et se désintègrent en d'autres hadrons. Les autres forces fondamentales naturelles, telles que la gravitation, l'électromagnétisme et les forces faibles (qui régissent la désintégration radioactive) agissent aussi sur les hadrons.

     Les hadrons forment un ensemble de q quarks et a antiquarks liés entre eux. Il existe une relation à laquelle doivent satisfaire ces nombres : q - a = 3 B, où le nombre B, appelé nombre baryonique, doit être un entier relatif. Voyons quelques possibilités, le tableau représente les nombres baryoniques:

En fonction du nombre baryonique, les hadrons se divisent en deux classes de particules : les baryons et les mésons. Le spin des baryons est demi-entier, celui des mésons est nul.

Les Baryons

Lorsque B = 1 (nombre baryonique), on obtient les baryons, constitués de trois quarks. Ainsi, le proton (uud) comporte deux quarks u et un quark d, alors que le neutron (ddu) est formé de deux quarks d et d’un quark u. On peut cependant imaginer des baryons formés de quatre quarks et un antiquark (pentaquarks), voire d'autres faits de 6 quarks (hexaquarks), mais ils n'ont encore jamais été observés.

A la suite de collisions violentes, protons et neutrons peuvent être excités sous la forme de baryons composés d'autres types de quarks comme le quark "strange", et composant des hypérons (Particules delta, lambda, sigma, xi et oméga), des Particules très massives.

Lorsque B = -1, on a à faire à des antiprotons et des antineutrons. L'antiproton comporte deux antiquarks u et un antiquark d, alors que l'antineutron est formé de deux antiquarks d et d’un antiquark u. Ces 2 Antiparticules peuvent être produite par collision de nucléons dans des accélérateurs de Particules.

On s'aperçoit que l'idée du nombre baryonique est géniale. Seules les valeurs +1; 0 ou -1 sont possibles dans la nature dans l'alchimie" des quarks entre eux.

Les Mésons

Les Leptons

     Les leptons sont des particules fondamentales uniquement soumises aux interactions faibles, et de spin demi-entier. On distingue trois couples de leptons : les leptons électroniques, les leptons muoniques et le lepton tauique.

     Dans l'ordre, on distingue l'électron, le muon et le tauon. À chacune de ces particules correspond un neutrino (particule non chargée) appartenant à la classe de la particule. Contrairement aux hadrons, les leptons semblent être dépourvus de structure interne. D'après certains scientifiques, il existerait un parallélisme entre les leptons et les quarks.

      L'électron (e^-) a une masse d'environ 9,1083.10^{-28 grammes et une charge électrique élémentaire de 1,602.10-19} Coulombs. La charge de l'électron est l'unité de base en électricité. Les électrons interviennent dans un grand nombre de phénomènes et d’applications : le magnétisme, l'électronique, la spectroscopie, et bien évidemment la physique et la chimie..

     L'antiparticule de l'électron est le positron (ou positon), qui se manifeste dans la radioactivité bêta, ou dans l'annihilation des rayons gamma par création de paires électron positron.. Bref..

     Le muon (μ^-) est instable (durée de vie moyenne de l’ordre de 2,197.10^-6 secondes, il ne participe pas à l’interaction nucléaire forte, mais subit les interactions faibles, dont celles électromagnétiques. Il est produit par la désintégration du pion. C’est d’ailleurs le muon qui a permis l’identification du pion. Les propriétés du muon sont celles de l’électron, à l’exception de la masse (environ 210 fois plus grande), voisine de celle du pion. C’est pourquoi on l’appelle aussi « électron lourd ».

     Le tauon (τ^-) est aussi une Particule élémentaire très instable (durée de vie moyenne de l’ordre de 2,8.10^-13 secondes). Comme le muon, il ne participe pas à l’interaction nucléaire forte, mais subit les interactions faibles et, comme toutes les particules chargées, les interactions électromagnétiques faibles. Ses propriétés sont celles de l’électron, à l’exception de la masse qui est environ 3 500 fois plus grande. C’est pourquoi on l’appelle aussi « électron super lourd ».

     Le neutrino (électronique) est un lepton électriquement neutre et de masse quasi nulle. Comme il n'a pas de charge électrique, qu'il a une masse négligeable et qu'il peut être absorbé dans la matière, le neutrino fut très difficile à mettre en évidence expérimentalement. L'antiparticule du neutrino, ou antineutrino, est émise en même temps que l'électron de désintégration bêta à charge négative, alors que le neutrino est émis avec des positrons dans d'autres réactions de désintégration bêta.

      D'après certains scientifiques, dans une forme rare de radioactivité, la double désintégration bêta, deux neutrinos pourraient se combiner pour former une particule. Une autre sorte de neutrino à grande énergie, le neutrino muon, est produite en même temps que le muon au cours de la désintégration d'un pion. Lors de cette désintégration, une particule neutre est émise dans la direction opposée à celle du muon. En 1962, les chercheurs montrèrent que cette particule correspond à un troisième type de neutrino, le neutrino tau.

      Actuellement, les scientifiques cherchent à savoir si les neutrinos peuvent passer d'une forme à l'autre, ce qui impliquerait que la particule a une masse non nulle. Ce concept conduirait à de profonds bouleversements pour la cosmologie et les sciences physiques : une telle masse additionnelle dans l'Univers pourrait impliquer que l'Univers n'est pas en expansion mais en contraction. Selon certains scientifiques, les renseignements découverts grâce à la supernova SN 1987A tendent à montrer que le neutrino a une masse non nulle.

     Tous les leptons font partie de la famille des fermions car ils sont tous soumis aux interactions faibles ; ils subissent les interactions électromagnétiques faibles s'ils sont électriquement chargés.

Les Bosons

Bose

      Les bosons, ou vecteurs de forces, sont des particules d'interaction. Elles sont indépendantes, indiscernables, et obéissent à la statistique de Bose Einstein, c’est-à-dire qu'elles peuvent se superposer à un nombre quelconque dans le même état quantique.

      Les bosons sont des particules auxquelles le principe d’exclusion de Pauli ne s’applique pas. Le spin de ces particules est entier ou nul :

      En 1905, Einstein avança l’hypothèse que la lumière peut être considérée comme un flux de particules élémentaires appelées quanta ou photons, évoluant à la vitesse c = 300 000 km.s^-1. Le photon a une masse nulle, il est aussi sa propre antiparticule. Il représente la plus petite unité, le quantum, dans laquelle les ondes absorbées ou émises par de la matière peuvent se diviser. Il est définit comme étant une onde électromagnétique, c'est à dire une oscillation de champs électrique et magnétique associés.

      Le photon est un concept utilisé pour représenter les interactions entre les rayonnements électromagnétiques (notamment la lumière, les ultraviolets et les rayons X..) et la matière. Ainsi, un photon associé à un rayonnement électromagnétique de fréquence u possède une énergie E = hu, où h est la constante de Planck. Cette énergie peut se traduire par de la lumière visible, mais également par des rayonnements électromagnétiques d'autre nature:

 Les gluons sont les médiateurs hypothétiques de l’interaction forte, ou plus précisément à la force de couleur qui s'exerce entre les quarks; ils sont comme de la "colle" entre les quarks qui composent les hadrons. Selon le modèle standard, il existe 8 sortes de gluons, tous de masse nulle. Un gluon serait toujours associé à une couleur et à une anticouleur; lorsqu'il est échangé entre deux quarks, il va donc échanger les couleurs de ces derniers.

     Le graviton, médiateur hypothétique de l’interaction gravitationnelle; la particule fut postulée suite aux succès de la mécanique quantique, elle fonctionnerait de manière similaire au photon; les observations étant impossibles avec la technologie actuelle, il se peut que les découvertes à venir démentissent son existence.

      Les bosons intermédiaires, W⁺, W^- et Z⁰, sont les médiateurs de l’interaction faible. Contrairement aux autres bosons de masse nulle, les particules virtuelles médiatrices de l'interaction faible sont environ 100 fois plus massives que le proton. Ces bosons s'obtiennent en projetant l'un contre l'autre 2 fermions (protons par exemple) accélérées.

      Le « boson de Higgs » est la particule hypothétique qui engendrerait la masse des particules ordinaires en se couplant à elles. C'est la particule de spin 0, neutre, qui jouerait un rôle fondamental dans la théorie électrofaible. On a cependant émis l'hypothèse que le champ de Higgs ne correspondrait pas à une particule élémentaire mais à un état lié de particules inconnues: dans ce cas, il se manifesterait par l'intermédiaire d'interactions encore inconnues.       Les hadrons de type mésons, par leur spin entier, font partie intégrante de la grande famille des bosons.

Les Fermions

     Les fermions représentent un grand groupe composé de toutes les particules obéissant à la statistique de Fermi Dirac. Les fermions sont donc des particules indépendantes et indiscernables obéissant au principe d’exclusion de Pauli, c’est-à-dire qu’il ne peut pas y avoir, dans un système donné, plus d’une particule dans chaque état quantique (état énergétique). Le spin de ces particules est toujours demi-entier.

2 Q up + 1 Q Down = proton +2/3+2/3-1/3= 3/3=1

2 Q Down + Q up= -1/3-1/3+2/3=0

(les gluons permettent la stabilité des Quarks entre eux, interaction forte)

Toutes les particules sensibles aux interactions fortes sont des hardons

      Autre façon de voir : si on prend une boite et qu'on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à l'infini alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boite pour des bosons, les vecteurs d'interaction.