Les particules élémentaires

Classification des particules

Au début des années 1930, on connaissait très peu de particules élémentaires. On savait que le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons (découverte du neutron par le physicien britannique James Chadwick en 1932), autour duquel gravitent des électrons. On avait également mis en évidence le photon, le constituant fondamental de la lumière qui véhicule le rayonnement électromagnétique. Après 1945, la découverte de particules élémentaires s'accéléra, grâce à l'étude des rayonnements cosmiques dans un premier temps, puis aux accélérateurs de haute énergie (voir particules, accélérateur de). Actuellement, plusieurs centaines de particules ont été répertoriées et classées selon le type de leurs interactions, le nombre de quarks qui les composent et la valeur de leur spin.

Antiparticules

En 1930, le physicien britannique Paul A. M. Dirac émit la théorie suivante : à chaque particule est associée une autre particule de charge électrique opposée, nommée antiparticule. En dehors de sa charge, cette antiparticule présente les mêmes grandeurs caractéristiques que la particule correspondante (masse, durée de vie, etc.). Le physicien américain Carl D. Anderson découvrit en 1932 la première antiparticule, celle de l'électron, qu'on appela positron. En 1955, le physicien Owen Chamberlain fut à l'origine de la découverte de l'antiproton. Certaines particules sont leurs propres antiparticules, comme le photon. Les physiciens utilisent généralement une barre pour désigner une antiparticule. Par exemple, l'antineutrino est l'antiparticule du neutrino.

Interactions

Les scientifiques distinguent quatre types d'interactions qui s'exercent entre les constituants de la matière : Les interactions nucléaires ou fortes représentent les forces de plus grande intensité, elles sont à l'origine de la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique. Viennent ensuite, par ordre décroissant d'intensité, les interactions électromagnétiques, qui assurent les liaisons entre les électrons et le noyau. Ces interactions sont responsables des réactions chimiques. Bien plus petites sont les interactions faibles, qui gouvernent la désintégration de certains noyaux radioactifs. Elles furent observées pour la première fois en 1896 par Henri Becquerel. Les interactions gravitationnelles sont encore plus faibles, même si elles sont observables à grande échelle (chute des corps, mouvement des astres). D'après la théorie quantique, on sait que ces interactions sont véhiculées par des grains d'énergie, appelés quanta. Ainsi, les particules appelées gluons sont responsables des interactions fortes. Le photon est à l'origine des interactions électromagnétiques, tandis que les interactions faibles agissent par échange de particules appelées bosons intermédiaires. Dans le cas de l'interaction gravitationnelle, on a émis l'hypothèse de l'existence d'une particule appelée graviton, mais qui n'a pu être observée jusqu'ici.

Leptons et hadrons

Outre les particules citées ci-dessus, associées aux interactions, il faut mentionner également les particules élémentaires qui composent la matière. On les classe selon deux catégories : les leptons et les hadrons. Les leptons ne subissent pas les interactions fortes. Six particules en font partie, dont l'électron. En effet, l'électron n'est pas sensible aux interactions fortes, puisqu'il peut s'évader du noyau atomique. En revanche, les hadrons sont des particules qui subissent toutes les interactions.

Quarks

En 1964, les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig émirent simultanément l'hypothèse que les hadrons sont composés de constituants plus petits, baptisés quarks. Ils imaginèrent l'existence de trois quarks et de trois antiquarks de charge électrique opposée. On distingue alors deux types de hadrons, les mésons et les baryons, selon le nombre de quarks qui les composent. Les baryons sont constitués de trois quarks, alors que les mésons se composent d'un quark et d'un antiquark. En 1974, les physiciens américains Ting et Richter découvrirent un autre quark, le quark c, contenu dans de nouvelles particules, baptisées J ou psi. En 1977, on mit en évidence un cinquième quark b. Enfin en 1995, conformément à la théorie du modèle standard, le sixième et probablement dernier quark, le quark t, fut découvert au sein du Fermilab.

Spin

Les particules peuvent également être classées en fonction de leur spin, qui peut s'assimiler à leur moment angulaire. Cette grandeur quantique ne peut prendre que des valeurs discrètes entières ou demi-entières. Les leptons possèdent tous un spin égal à ½, tandis que les hadrons peuvent avoir des spins de 0, ½, 1, ou plus. On appelle bosons les particules de spin entier, et fermions les particules de spin demi-entier.