LES PARTICULES

Particule élémentaire

On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites « élémentaires » en ce qu'elles ne résultent pas de l'interaction d'autres particules plus « petites ». Un atome n'est pas une particule élémentaire car il est constitué d'électrons, de protons et de neutrons. Ces deux derniers, appelés du terme générique nucléons car formant le noyau atomique, ne sont pas non plus élémentaires car ils sont constitués de quarks. En revanche, électrons et quarks sont des particules élémentaires car ils ne sont constitués d'aucune autre particule a l'heure actuelle des connaissance.
On distingue les particules élémentaires qui ont un spin demi-entier et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et au principe d'exclusion de Pauli, et celles qui ont un spin entier et obéissent à la statistique de Bose-Einstein : les premières sont appelées fermions et constituent la matière baryonique, les secondes sont appelées bosons et constituent les champs de force — on parle plutôt d'interactions — hormis la gravitation, qu'on n'a pas encore réussi à intégrer au modèle.
Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en trois générations, c'est-à-dire en trois quadruplets de particules dont les termes correspondants sont de masse croissante d'une génération à la suivante. Seuls les fermions de la première génération (dont la masse est la plus faible) sont couramment observés et constituent la matière que nous connaissons ; les huit autres fermions ne s'observent que dans des conditions particulièrement énergétiques qui ne se rencontrent pas dans notre environnement usuel.

Les particules de matière

Tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière divisées en deux familles : les quarks et les leptons.

Chaque groupe compte six particules qui se regroupent en paires ou « générations ». Les particules les plus légères et plus stables appartiennent à la première génération, tandis que les plus lourdes et plus instables constituent la deuxième et la troisième génération. Toute la matière stable de l’Univers est composée de particules faisant partie de la première génération, car les autres particules se désintègrent rapidement pour se transformer en une particule plus stable.

Forces et particules porteuses

L’Univers est gouverné par quatre forces fondamentales : la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Leur portées ainsi que leurs intensités sont différentes. La gravité est la plus faible de ces forces mais a une portée infinie. Également à portée infinie, la force électromagnétique est bien plus puissante que la gravitation. Les forces faible et forte quant à elles ont une portée très limitée et n’agissent qu’au niveau des particules subatomiques. La force faible est moins puissante que la force forte et la force électromagnétique, mais elle est encore beaucoup plus puissante que la gravité. Enfin, comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre interactions fondamentales.

Nous savons que trois des forces fondamentales résultent de l’échange de particules porteuses de force qui appartiennent à une famille plus vaste appelée les « bosons ». Les particules de matière transfèrent des quantités discrètes d’énergie en s’échangeant des bosons. Chaque force fondamentale a son boson correspondant : la force forte est véhiculée par le gluon, la force électromagnétique par le photon, tandis que les bosons W et Z sont responsables de la force faible. Bien qu’il n’ait pas encore été observé, le « graviton » devrait être la particule porteuse de la gravité.

Le modèle standard comprend les forces électromagnétique, forte et faible ainsi que leur particule porteuse correspondante et explique de façon très satisfaisante comment ces forces agissent sur toutes les particules de matière. Cependant, bien que la gravité soit la force qui nous est la plus familière, elle ne fait pas partie du modèle standard. D’ailleurs, lui trouver une place dans ce modèle s’est révélé ardu. La théorie quantique, utilisée pour décrire le monde microscopique, et la théorie de la relativité générale, employée pour décrire le monde macroscopique, n'arrivent pas à s'entendre. Jusqu’à présent, personne n’a réussi à rendre les deux théories mathématiquement compatibles dans le cadre du modèle standard. Mais, heureusement pour la physique des particules, lorsque l’on se situe à l’échelle minuscule des particules, l’effet de la gravité est négligeable. C'est seulement en présence d'amas de matière importants - comme en nous-mêmes ou dans les planètes – que l’effet de la gravité prédomine. C’est pourquoi le modèle standard fonctionne encore bien, malgré le fait qu'il exclue l'une des forces fondamentales.

Jusque là, tout va bien…

… mais les physiciens ne sont pas arrivés au bout de leurs peines. Même si le modèle standard constitue actuellement la meilleure description que nous avons du monde subatomique, il n’en brosse pas le tableau complet : la théorie ne comprend en effet que trois des quatre forces fondamentales, excluant la gravité. De quoi faire retourner Newton dans sa tombe ! Il subsiste également d’importantes questions auxquelles ce modèle ne peut répondre, sur la nature de la matière noire et sur ce qui est advenu à l’antimatière, entre autres.

Enfin et surtout, cette théorie repose en grande partie sur l’existence du boson de Higgs, une particule dont aucune expérience n’a permis l’observation. La chasse au boson de Higgs, clé de l’origine de la masse des particules, est ouverte. Sa découverte représenterait un grand pas en avant pour la physique des particules, mais elle ne constituerait pas pour autant le chapitre final.

Ainsi, malgré l’efficacité avec laquelle le modèle standard décrit les phénomènes dont il traite, il n'en reste pas moins insuffisant. Peut-être le puzzle n'est-il pas complet : il faudrait aussi tenir compte de la nouvelle physique, jusque là cachée aux tréfonds du monde subatomique ou dans les recoins sombres de l’Univers. Sans doute les expériences menées auprès du Grand collisionneur de hadrons nous permettront-elles de trouver une partie des pièces manquantes.


Notre compréhension de l’Univers est sur le point de changer…

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument scientifique situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre. C’est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière. Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l'intérieur des atomes, à l’infiniment grand de l’Univers.

Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions de plomb) circuleront en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour. En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang. Des équipes de physiciens du monde entier analyseront les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.

Il existe de nombreuses théories quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens s’attendent en tous cas à une nouvelle ère de physique, apportant de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l’Univers. Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de la Nature. Mais ce modèle est insuffisant. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC permettront de repousser les frontières du savoir, mettant au défi ceux qui cherchent à confirmer les théories actuelles et ceux qui rêvent à de nouveaux paradigmes.