Particule élémentaire

Quelle est la définition d'une particule élémentaire ?

Pourquoi est-il important de connaître les particules élémentaires ?

La connaissance des particules élémentaires nous permet de comprendre pourquoi et comment les atomes réagissent, et ce qui se passe lorsqu'ils réagissent.

Particule élémentaire : Atome

Les atomes sont composés de trois particules subatomiques principales, qui sont elles-mêmes constituées de particules fondamentales. Parlons d'abord de ces particules subatomiques.

Nous sommes entourés de matière, et celle-ci est constituée d'atomes. Les atomes sont constitués d'électrons, de protons et de neutrons, que l'on appelle des particules subatomiques.

Essayons d'examiner chaque type de particule subatomique en détail, puis nous pourrons comparer leurs principales caractéristiques.

Électrons

Les électrons sont chargés négativement et tournent autour du noyau dans des orbites spécifiques, tout comme les planètes tournent autour du soleil.

La charge d'un électron est de \( -1.602 \times 10^{-19} \) coulombs et sa masse est de \( 9.109 \times 10^{-31} \space Kg \) . Comme tu le vois, la masse d'un électron est négligeable, il ne contribue pas à la masse de l'atome.

Les électrons jouent un rôle important dans les réactions chimiques. Le transfert et le partage des électrons d'un atome à l'autre entraînent la formation de liaisons. Lorsque de nouvelles liaisons sont formées, de nouvelles substances sont générées.

Les électrons sont attirés par le noyau mais ne tombent pas dans le noyau. Ils sont retenus par la force d'attraction électrostatique entre les électrons et les protons. Ceci nous amène à la prochaine particule subatomique...

Protons

Les protons sont des particules subatomiques chargées positivement qui font partie du noyau. Leur charge est égale en magnitude à celle d'un électron, mais de signe opposé. Par conséquent, la charge d'un proton est de \( +1.602 \times 10^{-19} \space coulombs \).

Les protons sont \( 1835 \) fois plus lourds que les électrons et contribuent à la masse de l'atome. La masse d'un proton est de \( 1.67262 \times 10^{-27} \space Kg \) .

Neutrons

Les neutrons sont neutres. Ils n'ont pas de charge électrique.

La masse du neutron est de \( 1.674 \times 10^{-27} \space Kg \) , légèrement supérieure à celle du proton. Les protons et les neutrons contribuent ensemble à la masse maximale de l'atome.

Les protons et les neutrons sont appelés "nucléons" car ils résident dans le noyau.

Lorsque nous écrivons la charge et la masse des particules subatomiques, nous indiquons leurs masses relatives plutôt que leur masse réelle.

Classification des particules élémentaires

La classification des particules élémentaires les divise en fonction de leurs propriétés ou de leurs interactions. Lorsque le nombre de particules a augmenté, une classification plus générale s'est avérée nécessaire. Les particules ont donc été divisées en trois grandes familles : les leptons, les hadrons et les porteurs de champ (bosons). Ces trois familles ont des caractéristiques distinctes et sont soumises à des forces différentes, jouant des rôles différents dans l'univers.

Fig.1- Classification des particules élémentaires avec des exemples des membres de chaque famille, dont certains se chevauchent.

Durée de vie des particules élémentaires

La notion de durée de vie d'une particule a une valeur statistique ; elle correspond à une moyenne de son temps d'existence. Les durées de vie des particules sont en relation avec la principale force à l'œuvre dans le processus dans lequel la particule est impliquée.

Lorsque des particules se désintègrent en engageant l'interaction nucléaire faible, elles ont des durées de vie qui sont souvent comprises entre \( 10^{-6} \space 10^{-13} \) secondes. ¹

Taille des particules élémentaires

Les différents niveaux de structure observables sont celui du virus, avec une taille typique de \( 10^{-7} m \) , celui de la molécule, d'une dimension de \( 10^{-9} m \) , et celui de l'atome, dont l'échelle est de l'ordre de \( 10^{-10} m \) .

Continuant cette descente dans la structure de la matière, on atteint le noyau de l'atome, avec une taille typique de \( 10^{-14}m \) , puis le nucléon (proton ou neutron) dont la dimension est de l'ordre de \( 10^{-15} m \) . Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, liés entre eux d'une façon assez compacte.

À la précision des mesures actuelles, l'électron est une particule quasi ponctuelle. Son rayon est inférieur à \( 10^{-19}m \) . C'est une des particules élémentaires reconnues comme telles.

À partir des particules élémentaires, les deux quarks u et d de l'électron, on peut ainsi reconstituer tous les objets stables du monde, dans leur quasi infinie variété. Notre descente jusqu'à \( 10^{-18} \space 10^{-19} m \) , possible à l'aide des accélérateurs dont on dispose, permet de trouver l'unité et la simplicité dont on parlait, cachée à nos sens.²

Liste des particules élémentaires

Les particules élémentaires sont les éléments fondamentaux à la base de l'univers entier.

Ce sont les plus petites particules qui ne peuvent pas être divisées.

Il existe deux grandes catégories de particules élémentaires :

• les fermions qui constituent la matière
• les bosons qui sont les particules d'interaction

Fermions

Les particules que l'on trouve dans le noyau, les protons et les neutrons, sont composées de quarks, tandis que les électrons sont un exemple de leptons, qui sont des particules présentant une dualité onde-corpuscule.

Savais-tu que les protons et les neutrons sont divisibles ?

Ils sont constitués de particules plus petites appelées quarks et gluons. Les protons sont constitués de trois quarks qui contribuent à leur masse, tandis que les gluons lient les quarks entre eux. On dit des gluons qu'ils ont une masse négligeable. On les appelle souvent des particules sans masse.

Quarks

Les scientifiques quantiques considèrent que les protons et les neutrons sont constitués de particules subatomiques plus petites appelées quarks, une véritable particule fondamentale. Un quark est un type de fermion.

Il existe deux types de quarks qui composent les neutrons et les protons.

• Quark up : a une charge électrique de \( + \frac {2}{3} \) .
• Quark down : a une charge électrique de \( - \frac {1}{3} \) .

Un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down. Par conséquent, le proton a une charge électrique positive égale à \( +1 \) .

Le neutron est constitué de deux quarks descendants et d'un quark ascendant. Par conséquent, le neutron a une charge électrique nulle.

Nous avions l'habitude de croire que les protons et les neutrons étaient des particules fondamentales. Cependant, nous croyons maintenant que des particules encore plus petites composent ces particules élémentaires. Ces particules plus petites sont appelées quarks.

Les quarks sont les éléments constitutifs des protons et des neutrons et se déclinent en six types appelés "saveurs".

• Up u
• down d
• Bottom b
• top t
• Étrange s
• Charme c

Les quarks ont une charge fractionnaire qui s'additionne pour donner une charge de \( +1 \) ou \( 0 \) . Les charges possibles pour un quark sont \( - \frac {1}{3} \) ou \( + \frac {2}{3} \) . Trois quarks constituent un proton ou un neutron, ce qui donne :

\( 2 \) quarks chargés \( - \frac {1}{3} \) et \( 1 \) quark chargé \( + \frac {2}{3} \) \( \rightarrow \) neutron

\( 2 \) quarks chargés \( + \frac {2}{3} \) et \( 1 \) quark chargé \( - \frac {1}{3} \) \( \rightarrow \) proton

Si tu additionnes la charge de tous les quarks, tu obtiens la charge fondamentale totale de la particule. Le tableau suivant montre les charges des quarks.

On peut voir que si on a deux quarks up et un quark down, on a un proton avec une charge de \( 1 \) . Si on a un quark up et deux quarks down, on a un neutron avec une charge de \( 0 \) .

Les particules étranges sont des particules supplémentaires qui se forment lorsque des faisceaux à haute énergie entrent en collision avec des atomes. Les particules étranges se désintègrent plus lentement que les autres quarks. Elles possèdent une qualité qui a été appelée le nombre étrange.

Leptons

Ils ne sont pas affectés par la force nucléaire forte qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau.

Les leptons ont une charge comme les hadrons, ils sont affectés par la force nucléaire faible, et ils peuvent être classés en particules chargées et particules neutres.

• Chargées : elles possèdent et portent des charges électriques comme l'électron, le muon et le tau.
• Neutres : leur charge est nulle comme celle des neutrons.

Bosons

Il existe ensuite des particules qui ne sont pas des constituants de la matière, que l'on appelle des bosons.

Les bosons sont des particules élémentaires qui ne satisfont pas au principe d'exclusion de Pauli, contrairement aux électrons. Les bosons cèdent leur masse aux autres particules élémentaires, ce qui leur permet d'agir à la fois comme une onde et comme une particule.

Quatre de ces bosons sont appelés " bosons de jauge". Les bosons de jauge représentent chacun une force de l'univers.

Photon

Le photon est le boson de jauge associé à l'interaction électromagnétique. Il se déplace à la vitesse de la lumière et est à la base du magnétisme, ou de la lumière elle-même.

Gluon

Le gluon est le boson de jauge associé à l'interaction forte.

Cette force agit à un niveau microscopique et est très puissante, et maintient ensemble les quarks qui forment les protons et les neutrons.

Bosons Z^o, W⁺ et W^-

Enfin, les bosons Z^o, W⁺ et W^- sont les bosons de jauge associés à l'interaction faible. Cette force est à la base de phénomènes tels que la radioactivité des particules, ou la fusion nucléaire qui a lieu au sein d'étoiles comme le soleil.

Boson de Higgs

Le boson de Higgs H^o ne représente pas une force, mais un champ appelé champ de Higgs. Ce champ attribue une masse aux particules qui le traversent. Plus les particules interagissent avec le champ, plus elles ont de masse.

Le boson de Higgs H^o a été découvert le 4 juillet 2012 au CERN, en Suisse, par Peter Higgs. Cette découverte, récompensée par un prix Nobel en 2013, a permis de compléter le modèle standard de la physique subatomique.

Graviton G

Le modèle standard n'incluant pas encore la force gravitationnelle, qui est indispensable à l'univers. Les physiciens ont suggéré l'existence d'un boson qui transmettrait l'interaction gravitationnelle, le graviton G. Mais son existence n'est pour l'instant qu'une hypothèse.

Hadrons

Les hadrons constituent une grande famille de particules composites comprenant plusieurs sous-familles dont les exemples les plus connus sont les protons et les neutrons.

Le neutron est un exemple d'hadron. Les hadrons présentent les principales caractéristiques suivantes :

• Les hadrons sont maintenus ensemble par une force connue sous le nom de force nucléaire forte, qui colle ensemble toutes les particules qui composent le noyau.
• Les hadrons sont composés de particules appelées quarks.

Les quarks portent la charge électrique des hadrons.

Le proton est un hadron composé de trois quarks, chacun d'entre eux ayant une charge. Deux des quarks ont une charge de \( \frac {2}{3} \) e, tandis que le troisième a une charge de \( -\frac {1}{3} \) . La somme des charges est de \( 2( \frac {2}{3} ) + 1 (- \frac {1}{3}) \) , la charge totale ou élémentaire du proton étant de \( +1 \) .

Les hadrons peuvent être classés en deux catégories :

• Les mésons, qui sont constitués d'un nombre pair de quarks comme les protons et les neutrons.
• Les baryons, qui sont constitués d'un nombre impair de quarks, comme le muon.

Particules élémentaires : Tableau

Le modèle standard regroupe toutes les particules élémentaires qui composent l'univers en une seule théorie.

Les particules élémentaires qui composent la matière sont des fermions.

Il existe deux grandes catégories de fermions : les quarks et les leptons qui présentent existent sous différentes formes qui sont classées en trois générations.

À chaque génération, sont associés un couple de quarks et un couple de leptons.

1. La première génération contient les particules élémentaires les plus courantes qui peuvent être observées partout. Elle est composée de quarks up et down et de leptons électron et neutrino électronique.
2. La deuxième génération de matière est composée de quarks étranges et charmes et de leptons muons et neutrino muonique. Ces quatre particules ont une masse plus élevée que celles de la première génération.
3. La troisième génération est composée des quarks top et bottom et des leptons neutrinos tau et neutrino tauïque. Ces quatre particules sont les plus massives par rapport aux deux premières générations.

Pour résumer tout ce que nous avons appris jusqu'à présent, voici un tableau pratique de toutes les particules élémentaires.

Particules élémentaires : Interactions

Les interactions élémentaires sont les forces fondamentales qui sont responsables de tous les phénomènes physiques.

Nous avons 4 types d'interactions élémentaires :

1. l'interaction gravitationnelle qui est responsable de l'attraction entre les corps massifs.
2. L’interaction électromagnétique qui est responsable de l'attraction ou de la répulsion entre des particules chargées électriquement.
3. L’interaction nucléaire forte qui est responsable de la cohésion du noyau atomique.
4. L’interaction nucléaire faible qui permet la transformation des particules en d'autres particules.

Particule élémentaire à interactions fortes

L'interaction forte ou force nucléaire forte est la dernière force fondamentale et la plus forte.

Pour avoir une idée de cette façon dont la force est exercée, repense à l'interaction électromagnétique : les charges semblables ont une nature répulsive et ne veulent naturellement pas partager un espace restreint. Les protons sont tous chargés positivement et se repoussent mutuellement. Pourtant, le noyau d'un atome est constitué de protons partageant un petit espace avec des neutrons - la force forte domine complètement la force électromagnétique afin de maintenir le noyau ensemble.

L'interaction nucléaire forte contribue également aux processus nucléaires tels que la fusion. Lorsque deux noyaux sont suffisamment proches, comme dans le cœur d'une étoile, la force forte domine et attire les deux noyaux ensemble. Les deux noyaux fusionnent et créent un nouvel élément plus lourd.

Particule élémentaire à interactions faibles

La force d'interaction nucléaire faible est la deuxième interaction fondamentale la plus faible et régit certains processus atomiques importants.

L'interaction nucléaire faible est la raison pour laquelle les atomes radioactifs subissent une désintégration radioactive au fil du temps. La force faible est bien plus puissante que la force gravitationnelle, mais elle n'agit que sur de très petites distances - à l'échelle subatomique, pas même le diamètre d'un atome entier !

Les atomes radioactifs sont des atomes instables qui émettent des particules lors d'un processus appelé désintégration bêta, car ils tentent d'atteindre un état plus stable. S'il y a trop de neutrons dans le noyau d'un atome, un neutron peut se désintégrer en proton, libérant au passage un électron ou un positron à grande vitesse. Ces particules à grande vitesse émises sont ce que nous connaissons sous le nom de rayonnement. L'interaction nucléaire faible est la force motrice de cette désintégration.

La force d'interaction faible est également à l'origine de la fusion nucléaire, le processus par lequel notre soleil et d'autres étoiles essaient de brûler des gaz et de créer des éléments de plus en plus lourds dans leur noyau. Au cœur d'une étoile, les atomes d'hydrogène fusionnent et créent des atomes d'hélium. Ce processus libère de très petites particules et de l'énergie sous forme de lumière et de chaleur.