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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.
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 ?
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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.
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.
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La
physique moderne, de Gargamelle à Atlas : si le premier
dispositif permet de tracer le passage des ions et donc
de suivre la trajectoire d'une particule, le second tire
profit de détecteurs spécialisés, les uns sensibles
aux photons ou aux électrons, les autres aux jets de
particules hardroniques ou encore aux mésons émis et
lancés à grande vitesse dans les accélérateurs de
particules. Les signaux émis lors des émissions ou des
collisions sont transmis à des ordinateurs qui
reconstruiront les trajectoires et effectueront les
premières mesures. Ci-dessous une image prise dans une
chambre à bulle : on observe la trace d'un courant
neutre interagissant avec un nucléon et s'en échappant.
Documents CERN.
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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.
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.
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Que
représente l’énergie d’une particule ?
Pour rappel, l’énergie
cinétique d’un corps vaut Ec
= ½ mv2.
Appliqué
à un grain de sable
transporté par le vent à 1 m/s, cela représente une énergie de
l’ordre du nanojoule, l’équivalent de 6 GeV. Dans les mêmes
conditions, l’énergie d’un électron est douze mille
fois plus faible.
Pourquoi dès lors ne pas
utiliser des grains de sable ou des corps plus massifs pour
étudier les soubassements de la matière, au lieu de
s’acharner à lancer des électrons ou des particules plus
massives les unes contre les autres ?
En fait notre comparaison
s’arrête ici. En effet, la densité d’énergie d’un
grain de sable, c’est-à-dire sa densité par unité de
volume est de loin inférieure à celle de l’électron qui
est une particule élémentaire. En fait l’électron ne
doit pas partager son énergie avec les atomes et les molécules
qui constituent le grain de sable.
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Les accélérateurs de
particules et autres collisionneurs ont donc été inventé
dans le but d’étudier les particules élémentaires ou
composites et sont adaptés aux corps ponctuels qui, lancés
les uns contre les autres, peuvent produire des énergies
collossales, suffisantes pour créer de la matière, ce
qu’un grain de sable ou même une bille de plomb ne
pourrait jamais réaliser.
Les électrons sont donc
plus énergiques que n’importe quelle autre particule
composite (proton, etc) et produisent également des
collisions plus propres et plus fines donnant une
“cartographie” plus détaillée des phénomènes étudiés.
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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.
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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).
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”.
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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
qui est remise à jour chaque année. La plupart d’entre elles sont
instables.
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
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La
symétrie de couleur
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Hadron
incolore (p)
de
charge +1 (3/3)
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Méson
incolore (p+)
de
charge +1 (3/3)
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Ci-dessous,
émission d'un gluon virtuel dans une interaction forte
entre quarks bleu et rouge.
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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
Les
particules virtuelles
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Cet article est un résumé condensé du chapitre consacré au même sujet publié dans mon livre sur la physique quantique.
Platon, "Timée", 56b. Platon utilise le mot
"stoikheion" pour "élément" qui signifie aussi
comme l'a bien compris Galilée les lettres de l'alphabet, les
caractères. Platon utilise également "khôra" pour définir
la "matière" que Luc Brisson ("Le même et l'autre
dans la structure ontologique du Timée", Paris, 1974) traduit
par le mot "milieu spatial" car il définit à la fois ce
en quoi les choses se trouvent et ce de quoi elles sont faites.
Aristote,
"Traité du Ciel" (De Caelo), 306a, Les Belles Lettres,
1965.
Platon
aurait dû extraire des racines carrés décimales et des racines
cubiques pour calculer le volume du tétraèdre (le feu) et des
autres figures. Seule réponse simple, le volume de l'hexaèdre à
mi-chemin entre le feu et l'air dont le volume est égal au cube du
côté.
Des
collisions frontales de 2000 GeV ont été réalisées au Fermilab.
Précisons que nous continuerons à utiliser l'abréviation eV par
clarté bien qu'en réalité il s'agisse de l'équivalent d'une
masse, soit eV/c².
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