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Physique des particules
Chambre à bulle.
Chambre à bulle.

La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules plus grandes dans les accélérateurs de particules.

Historique

L'idée que la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) se compose de particules élémentaires date au moins du VIe siècle av. J.-C. La doctrine philosophique de l'atomisme (L'atomisme est une théorie philosophique proposant une conception d'un univers composé de matière et de vide. Selon les atomistes, les atomes composant l'univers sont tous de même substance et ne...) a été étudiée par les philosophes grecs tels que Leucippe, Démocrite, et Épicure. Bien qu'au XVIIe siècle, Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près de Grantham et mort le 31 mars 1727[1] à...) pensait que la matière était composée des particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est constitué d'atomes minuscules.

En 1869, le premier tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique de Dimitri Mendeleïev permit d'affermir le point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) prévalent durant tout le XIXe siècle que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Joseph John Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Ernest Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.

Au XXe siècle, les progrès de la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et de la physique quantique, culminant avec les preuves de la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus...) et fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire...), donna naissance à une industrie capable de produire un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation (La transmutation est la transformation d'un élément chimique en un autre par une modification du noyau atomique de l'élément. Elle est aussi appelée...) de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) en or.

Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant...). Ceci fut appelé le zoo de particules. Cette expression fut désapprouvée après la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant...) du modèle standard dans les années 1970 car le grand nombre de particules put être expliqué comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales.

Les grandes dates de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...)

  • 1873 : James Clerk Maxwell réalise d'importantes recherches dans trois domaines : la vision de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou l’expérience,...) moléculaire et la théorie électromagnétique. Les idées soulignant les théories de Maxwell sur l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ...) décrivent la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) lumineuses dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).
  • 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et estime sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...).
  • 1895 : Wilhelm Röntgen découvre les rayons X.
  • 1896 : Henri Becquerel (Antoine Henri Becquerel est un physicien français né le 15 décembre 1852 à Paris et décédé le 25 août 1908 au Croisic.) découvre la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie...) de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...).
  • 1898 : Marie et Pierre Curie (Pierre Curie (15 mai 1859 à Paris - 19 avril 1906 à Paris) est un physicien autodidacte français. Il est principalement connu pour ses travaux en radioactivité et en piézoélectricité. Lui et son épouse, Marie Curie, pionniers de...) séparent les éléments radioactifs. Joseph John Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
  • 1900 : Max Planck suggère que les rayonnements sont quantifiables (ils ne peuvent prendre que des valeurs qui sont des multiples d'une valeur élémentaire appelée quantum).
  • 1905 : Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand,...), l'un des rares scientifiques qui considéra sérieusement les idées de Planck, propose un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) (le photon) qui se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), la dualité onde-particule (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ) des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un...).
  • 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité d'Ernest Rutherford, envoient des particules alpha sur une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la feuille se trouve un...) d'or et observent de grands angles de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...), ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense à l'intérieur de l'atome.
  • 1911 : Ernest Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Hans Geiger et Ernest Marsden.
  • 1913 : Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague) est un physicien danois. Il est surtout connu pour son apport à l'édification de la...) construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
  • 1919 : Ernest Rutherford prouve l'existence du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.).
  • 1921 : James Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) de grande intensité (dite forte) maintient le noyau uni.
  • 1923 : Arthur Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
  • 1924 : Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, duc de Broglie (Dieppe, 15 août 1892 – Louveciennes, 19 mars 1987) était un mathématicien, physicien et académicien français.) propose des propriétés ondulatoires pour la matière.
  • 1925 : Wolfgang Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et H. Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
  • 1926 : Erwin Schrödinger (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (12 août 1887 à Vienne - 4 janvier 1961) est un physicien autrichien.) développe la mécanique ondulatoire (La mécanique ondulatoire est, comme son nom l'indique, une mécanique régie par la propagation d'une onde de probabilité.), qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Max Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de physique classique,...). G.N. Lewis propose le nom de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point...) pour le quantum de lumière.
  • 1927 : Découverte de la désintégration β.
  • 1928 : Dirac propose son équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines...) d’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) relativiste pour l’électron.
  • 1930 : W. Pauli suggère l’existence du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.).
  • 1930 : Particules élémentaires incluent: - électron, proton, neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les...) (dans le noyau), neutrino dans la désintégration β, photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...), le quantum de champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ magnétique B. Mais ces...).
  • 1931 : Découverte du positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour...) e+ (Anderson). Dirac réalise que le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) est aussi décrit par son équation.
  • 1932 : Découverte du neutron n (James Chadwick).
  • 1933/34 : Théorie de Fermi de la désintégration β (interaction faible): ex. n → p + e + ¯νe.
  • 1935 : Hypothèse de Hideki Yukawa sur les mésons : La force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut être comprise en termes...) est due à l’échange de particules massives, les mésons.
  • 1937 : Découverte du lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec signifiant « léger »...) μ (muon). Interprété initialement, à tort,comme le méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) de Yukawa, le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron (105,6 MeV) et...) s’avère trop “pénétrant”.
  • 1938 : Énoncé de la loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce système. La liste suivante...) du nombre baryonique (En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être défini comme le tiers du nombre de quarks moins le nombre d'antiquarks dans le système.).
  • 1946/47 : Découverte du méson chargé π±, le pion (Le Pion est un film français réalisé par Christian Gion en 1978.) (Cecil Frank Powell). Le μ est produit par le processus π+ → μ+ + νμ.
  • 1946/50 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
  • 1948 : Production artificielle du π+.
  • 1949 : Découverte du K+.
  • 1950 : Découverte du pion (Le terme Pion peut désigner :) neutre, π0 → γ + γ.
  • 1951 : Découverte d'événements en " V " à Brookhaven, New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle seule 8 143 200 habitants. Son...). Particules K0 et Λ ayant une vie (La vie est le nom donné :) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) " étrangement " longue et nouveau nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique...) “l’étrangeté”.
  • 1952 : Découverte du Δ (état excité du nucléon).
  • 1954 : Yang et Mills proposent les théories de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte,...) non-abéliennes.
  • 1955 : Découverte de l'antiproton ¯p (Chamberlain et Segrè).
  • 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut générer une violation de P (parité).
  • 1956 : Découverte de la violation de P dans les atomes de 60Co par Wu et Amber.
  • 1960/70 : Découverte de centaines de particules “élémentaires” (ρ, ω, K, Δ, Ξ, ....)
  • 1961 : Murray Gell-Mann propose la voie octuple SU(3).
  • 1962 : Découverte de νμ et νe.
  • 1964 : Existence des quarks u, d, s proposée (Gell-mann and Zweig).
  • 1964 : Le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) c est suggéré.
  • 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes K0 − ¯K0 par Cronin, Fitch, Christianson et Turlay.
  • 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre.
  • 1967 : Sheldon Glashow-Salam-Weinberg proposent l’unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog...) des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l’existence du Higgs.
  • 1968-69 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est généralement noté « A », et appelé « Nombre de...).
  • 1973 : QCD : la théorie des interactions fortes entre particules colorées. Prédiction de l’existence des gluons.
  • 1973 : Liberté asymptotique postulée.
  • 1974 : Découverte du J/ψ et du quark charmé c, à l'université Stanford (La Leland Stanford Junior University, plus connue sous le nom d'université Stanford, est l'une des plus prestigieuses universités américaines. Située au...) et Brookhaven, USA.
  • 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le τ.
  • 1976 : Découverte du D0 et confirmation de l’existence du quark c.
  • 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom b, à Fermilab, USA.
  • 1979 : Découverte d’un gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble, ce qui permet l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres...) à DESY (Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, « Synchrotron d'électrons allemand ») est un important centre de recherche en Europe en physique des particules et en rayonnement synchrotron.), Hambourg.
  • 1983 : Découverte du Z0 et du W± au CERN.
  • 1990 : Mesure au LEP (CERN) impliquant que le nombre de neutrinos “légers” (m < 45 GeV) est limité à 3.
  • 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top t, à Fermilab, USA.
  • 1998 : Évidence de neutrinos massifs à Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes...), Japon.

Classement des particules subatomiques

Introduction

Les particules élémentaires peuvent être classées en différentes sous catégories en fonction de leur nature.

Leptons, hadrons et quarks

Leptons

Les leptons (ainsi nommés parce que leurs masses étaient relativement petites) sont caractérisés par les propriétés suivantes:

1. Ce sont des particules qui n’interagissent pas fortement (aucune interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte).

2. Ils portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).

3. Ils possèdent une charge “faible” et peuvent être regroupés en paires appelées doublets d’interaction faible.

4. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (En mécanique quantique, la statistique de Fermi-Dirac désigne la distribution statistique de fermions indiscernables (tous similaires) sur les états d'énergie d'un système à l'équilibre...) ex. ce sont des fermions. Les trois familles ou générations de leptons connues sont:

  • e νe
  • μ νμ
  • τ ντ

Hadrons

Les hadrons sont caractérisés par les propriétés suivantes:

1. Ce sont des particules qui interagissent fortement (soumises à l’interaction forte “résiduelle”).

2. Ils portent des charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).

3. Ils ont des interactions faibles.

4. Ils sont formés de quarks.

Dans les faits, les hadrons ne sont pas des particules fondamentales, mais plutôt des états liés de quarks. On en observe plus de deux cents. Les hadrons peuvent eux-mêmes être classés en deux groupes: les baryons, auxquels on associe un nombre quantique (le nombre baryonique) et les mésons qui sont responsables des interactions fortes entre hadrons. Voici les hadrons les plus fréquemment observés (baryons de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...) 1/2, mésons de spin 1/2 et baryons de spin 3/2):

Image:Octet baryons.jpg Image:Octet mesons.jpg

  • p  : proton
  • n  : neutron
  • π+, π0, π-  : pions
  • ρ+, ρ0, ρ−  : mésons ρ
  • Λ  : lambda
  • K+, K0, ¯K0, K− : mésons K

Quarks

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment la matière nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).

1. Ils interagissent fortement (soumis à l’interaction forte)

2. Ils portent des charges électriques fractionnaires.

3. Ils possèdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible.

4. On leur associe aussi une charge colorée (couleur) et forment des triplets d’interaction forte.

On compte six types ou saveurs de quarks (l’existence du quark top a été confirmée en 1995): les quarks up, down, étrange, charmé, bottom (encore appelé aussi le quark beauté pour des raisons historiques) et le quark top. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes sauf pour ce qui est de leurs masses.

Q = 2/3 Q = −1/3
u(up) d(down)
c(charme) s(étrange)
t(top) b(bottom)

De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées; il en existe trois de chaque. Pour le moment cependant, il semble que seuls des arguments de symétrie viennent appuyer cette assertion (Dans la langue française, le mot assertion (n,f) représente une vérité absolue : il définit une proposition reconnue comme vraie. -> voir Wiktionary).

Existence de trois familles

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des particules élémentaires peut se décomposer en trois familles. Ce nombre de trois est un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) fondamental du modèle standard. Ces trois familles sont résumées ci-dessous.

Image:Familles particules.jpg

Bosons et Fermions

La mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) quantique introduit la notion de moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) intrinsèque d'une particule, le spin. Le spin peut prendre des valeurs qui sont des multiples de h/4π. Il détermine également le type de statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) auquel est soumise la particule.

  • Bosons

Les bosons sont des particules de spin entier (0,\hbar , 2\hbar , 3\hbar ,...), qui obéissent à la statistique de Bose-Einstein (En mécanique quantique, la statistique de Bose-Einstein désigne la distribution statistique de bosons indiscernables (tous similaires) sur les états d'énergie d'un système à l'équilibre thermodynamique....), c'est-à-dire qu'un système de deux bosons identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) qui est symétrique sous l'échange des particules : Ψ12 \rightarrow \Psi21

  • Fermions

Les fermions sont des particules de spin demi-entier (\hbar/2 , 3\hbar/2 , 5\hbar/2 ,...) qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'un système de deux fermions identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est antisymétrique sous l'échange des particules : Ψ12 \rightarrow -\Psi21

Particules et antiparticules

La notion d'antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La première antiparticule observée, un antiélectron (positron) produit par la rencontre entre...) fut proposée par Paul Dirac en 1928. Dirac interpréta certaines solutions de l'équation qui porte son nom comme des antiparticules. Les solutions associées peuvent être interprétées comme des particules se propageant à rebours dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ou encore comme des trous dans une mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) de particules.

Une antiparticule se caractérise par :

  • une charge et des nombres quantiques opposés à ceux de la particule associée
  • une masse et une durée de vie identiques à celles de la particule correspondante

L'existence des antiparticules fut confirmée par Anderson dès 1933 par la découverte du positron (antiparticule de l'électron). Certaines particules, dont toutes les charges sont nulles, comme le photon ou le boson Z (Le boson Z0 est un des trois bosons de jauge de l'interaction faible, les deux autres étant le boson W sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et...)0 sont leur propre antiparticule. Par convention, l'antiparticule est désignée par une barre supérieure.

Interactions et champs

La mécanique classique et la théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs est l'application des concepts de la physique quantique aux champs. Issue de la mécanique quantique relativiste, dont l'interprétation comme théorie décrivant une...) ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.

  • En mécanique classique :

Un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) produit par une particule 1 à la position de la particule 2. La particule 2 interagit avec la valeur de ce champ.

  • En théorie quantique des champs :

L'interaction est interprétée comme un échange de quanta. L'échange obéit aux lois de conservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. La quadri-impulsion obéit à l'équation d'onde dans les limites du principe d'incertitude de Heisenberg :

\Delta E . \Delta t > \hbar et \Delta x . \Delta p > \hbar

Les états transitoires sont appelés virtuels, par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que p2   ≠   0

Interaction électromagnétique

L' interaction électromagnétique se caractérise par les propriétés suivantes :

  • met en jeu des particules chargées
  • constante de couplage α =e/4π
  • temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−20 s;
  • section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des...) typique de ∼ 10−33 m2;
  • échange de photons (γ);
  • mγ = 0, donc portée R = ∞.

Interaction faible

Les principales manifestations de l'interaction faible sont:

1. La désintégration β du neutron, ex. n → p + e− + ¯νe.

2. La capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce...) d’antineutrinos, ex. p+ ¯νe → n + e+.

3. Les réactions hadroniques pures, ex. la désintégration des Σ, peuvent passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par le mode faible ou le mode électromagnétique mais les caractéristiques diffèrent suivant le mode de désintégration: int. faibles int. e.m. Σ− → n + π | {z } Σ0 → Λ + γ ΔS = 1 | ΔS{z= 0 } τ ' 10−10 s τ ' 10−19 s où ΔS est le changement du nombre quantique d’étrangeté et τ est la vie moyenne ou durée des interactions. Les interactions faibles sont alors caractérisées par les propriétés suivantes:

  • met en jeu des neutrinos ou des quarks qui changent de saveur, c’est-à-dire des particules ayant une charge faible;
  • couplage faible (entre protons): αFermi = GF m2 p/4π ≈ 10−6;
  • temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−8 s;
  • section efficace de ∼ 10−44 m2;
  • échange de bosons W± (courants chargés) et Z0 (courant neutre);
  • mW = 80 GeV, donc portée R = 10−18 m.

Les interactions électromagnétique et faible (électrofaibles) sont unifiées dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais à basse énergie, la symétrie est brisée et les deux forces semblent distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible gW et l’échange des bosons de jauge W± et Z0. Les réactions faibles sont caractérisées par une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu...) de la forme :

Amplitude ∝ g2W/(q2 − M2W,Z)

où q2 est le transfert de quadri-impulsion porté dans l’échange du quantum.

Dans la limite q2 → 0, la théorie de Glashow-Weinberg-Salam se ramène à la théorie des interactions faibles de Fermi (1935) où les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force GF , la constante de Fermi. GF ∼= 10−5 GeV−2.

Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la théorie de Fermi d’être renormalisable. C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e.m.).

Interaction électrofaible

L'interaction électrofaible est l'interaction qui unifie l'électromagnétisme et l'interaction faible.

Interaction forte

L' interaction forte est fréquente dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elle implique, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) K + p → Σ0 dont la durée est d’environ τ= 10−23 s. Les interactions fortes sont caractérisées par les propriétés suivantes:

  • met en jeu des particules portant une charge colorée (quarks et/ou gluons);
  • couplage très fort: αs ∼ 1;
  • temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ∼ 10−23 s;
  • section efficace typique de ∼ 10−30 m2;
  • échange de gluons;
  • confinement des quarks et gluons;
  • liberté asymptotique;
  • portée effective de R = 10−15 m en raison du confinement.

Interaction gravitationnelle

Il n’existe pas actuellement une théorie de la gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.) satisfaisante du point de vue de la phénoménologie bien que la supercordes soit un bon candidat (la gravitation quantique à boucles (La gravitation quantique à boucles est une tentative de créer une théorie de la gravitation quantique, et donc d'unifier la théorie de la relativité générale d'Einstein et...) cependant ne propose pas d'unifer la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) avec les autres interactions du modèle standard). Par contre, une théorie quantique gravitationnelle devrait posséder les caractéristiques suivantes:

  • implique tout ce qui possède une énergie-masse et qui modifie la métrique (tenseur énergie- impulsion);
  • couplage très faible au niveau subatomique: le couplage typique entre deux protons est αG = GNm2p /4π = 4.6 × 10−40;
  • le graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans la plupart des systèmes de gravité quantique. Il serait donc le quantum de la force gravitationnelle. En langage courant, on peut dire que...), boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de...) d’interaction de spin 2 correspond à une fluctuation quantique de la métrique
  • masse nulle du graviton, la gravitation ayant une portée infinie.

Tableau Récapitulatif

particules élémentaires fermions leptons électron
muon
tauon (Le tauon est une particule de la famille des leptons, de masse 1777 MeV.c-2. Il est symbolisé par τ − . Ses propriétés sont proches de celles de l'électron et du muon, mais il est plus massif et de faible durée de vie. Avec son...)
neutrino électronique
neutrino muonique
neutrino taunique
quarks quark up
quark charm
quark top
quark down
quark strange
quark bottom ou beauty
bosons bosons de jauge photon
Z0
W-
W+
gluon
bosons hypotétiques
graviton
boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé « boson...)
particules composées (hadrons) baryons (fermions) nucléons neutron
proton
hypérons lambda
sigma
ksi
omega
...
autres baryons delta
baryons charmés
...
mésons (bosons)
pion
kaon (Un kaon est une particule (K) de la famille des mésons, composé d'un quark et d'un anti-quark.)
êta
rho
phi
D
J/Ψ
B
upsilon
...

Le modèle standard de la physique des particules

L'état actuel de la classification des particules élémentaires s'appelle le modèle standard. Il décrit les forces fondamentales fortes, faibles, et électromagnétiques en utilisant des bosons médiateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont le photon, les bosons W-, W+ et Z, les gluons et le graviton. Le modèle contient également 24 particules fondamentales, qui sont les constituants de la matière : les quarks et les leptons. Il prévoit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs, mais qui n'a pas encore été observé.

Principales interactions avec la matière

Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées

Particules légères : électrons, positrons

  • Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au-delà de 10 MeV
  • Diffusion inélastique avec les atomes (cortège électronique)
  • Diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la quantité d'énergie cinétique entre deux corps est conservée.) avec les noyaux
  • Rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) Tcherenkov
  • Réactions nucléaires

Particules lourdes: muons, protons, alpha, pions

  • Diffusion inélastique avec les atomes (type d'interaction dominant).
  • Diffusion élastique avec les noyaux: peu d’énergie transférée, car particules plus légères que le noyau.
  • Rayonnement Tcherenkov.
  • Réactions nucléaires.
  • Bremsstrahlung.

Particules non chargées

Photons

Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :

  • Effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont...)
  • Diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur d'onde du photon par la diffusion. Ce...)
  • Production de paires e+ e-
  • Réactions nucléaires (faible contribution)

La probabilité de produire une interaction est une fonction exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs...) de la distance parcourue. La fraction des photons qui subissent une interaction après avoir traversé une distance x est 1-e-µx où µ est le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients...) d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...), exprimé en cm-1, qui est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions. L'absorption peut être paramétrée plus généralement par le coefficient d'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) massique µ/rho; exprimé en cm2/g et qui est indépendant de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) absorbant.

Neutrons

  • Diffusion élastique
  • Diffusion inélastique
  • Capture nucléaire
  • Réactions nucléaires : (n, 2n), (n,α ), (n, xn), (n,p)
  • Fission nucléaire

Neutrinos

  • interactions électrofaibles (création de leptons)

Détecter les particules

Les détecteurs de particules sont basés sur les phénomènes de leurs interactions avec la matière, qui ont été abordés précédemment. Les principes de quelques types des détecteurs de particules couramment utilisés aujourd’hui vont être détaillés.

Les détecteurs à ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant...)

Ce type de détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour...) mesure la charge déposée par une particule chargée traversant un milieu ionisable, qui peut être un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...), un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), voire un solide, chacun ayant ses avantages et ses applications.

Une particule chargée suffisamment énergétique est capable d'arracher les électrons des atomes du milieu traversé, c'est le processus d'ionisation. Le nombre moyen de paires d’électrons et d'ions primaires ainsi créées par le passage d’une particule chargée est donné par la formule de Bethe-Bloch: N = -d.dE/dx / W où d est l’épaisseur du détecteur, et W l’énergie moyenne nécessaire pour créer une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :). Dans les gaz W est de l'ordre de 30 eV.

Dans un détecteur à ionisation, le milieu est plongé dans un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace...) généré par une paire d'électrodes, généralement de géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) cylindrique ou plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de...). Les électrons nouvellement créés se déplacent alors vers l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant à la consommation d'électrons) .) et les ions, vers la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du générateur extérieur...). Selon le type d'effet voulu, l'anode peut prendre la forme d'un ou plusieurs fil très fin près duquel le champ électrique devient très intense et où les électrons sont accélérés jusqu'à être capables d'ioniser d'autres atomes, créant des électrons secondaires, capables à leur tour d'ioniser des atomes, ceci plusieurs fois de suite. C'est le phénomène d'avalanche.

Les électrons, environ mille fois plus rapides que les ions, sont rapidement capturés par l'anode, mais le courant des ions dérivant vers la cathode induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) électrique relativement important sur les électrodes, directement mesuré par un pré-amplificateur qui produit le signal électronique.

Le signal détecté par l’amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) dépend de plusieurs facteurs, et avant tout du champ électrique appliqué entre les électrodes et, dans le cas d'un détecteur à gaz, de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.).

Les régions opérationnelles des détecteurs à ionisation sont les suivantes :

  • La région de recombinaison

Lorsque le champ électrique entre les électrodes est faible, les électrons et les ions peuvent se recombiner en atomes aussitôt après leur création. Seule une petite fraction des charges d’ionisation est détectée par l’amplificateur.

  • La région d’ionisation et les chambres à ionisation

Une fois que le champ électrique est assez fort pour limiter les recombinaisons, les charges d’ionisation dérivent presque intégralement vers les électrodes. On obtient un signal qui reflète la charge totale d’ionisation. Les détecteurs opérant dans cette région, par exemple les chambres à argon (Ar) liquide et les détecteurs à semi-conducteurs (Si, Ge), ont une excellente résolution en énergie et le signal mesuré est déjà assez proportionnel à la charge déposée (bonne linéarité). Les signaux sont assez faibles parce qu’il n’y pas d’amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) des charges dans le détecteur, et des amplificateurs spéciaux à bas bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) sont nécessaires.

  • La région proportionnelle

Si le champ électrique est suffisamment fort (E ~ 104 V/cm), les électrons sont accélérés par le champ électrique et gagnent assez d’énergie pour produire des ionisations secondaires. Puisque la probabilité d’une ionisation secondaire par unité de longueur (Il existe de nombreuses unités de longueur ne faisant pas partie du système international. Certaines sont utilisées dans des domaines scientifiques pour simplifier les...) (a) est constante pour un champ électrique donné, le nombre total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme....) d’ionisations est proportionnel au nombre d’ionisations initiales: N = N0 eαd. Le facteur multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) est donné par M = eαd = 104 à 108. Les détecteurs opérant dans la région proportionnelle sont généralement des détecteurs à gaz, parce que les gaz permettent d'obtenir un grand facteur de multiplication lors de l'avalanche. L’avantage des chambres proportionnelles est qu’elles n’exigent pas d’électronique à bas bruit. Elles peuvent être utilisées pour les mesures d’énergie, mais la précision est moins bonne à cause de la fluctuation du processus d’amplification et le facteur de multiplication dépend de plusieurs facteurs d’environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) (tension, température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...), etc.). L’application la plus importante des chambres proportionnelles est la mesure de position, comme les chambres proportionnelles multi-fils (Multi-Wire Proportional Chambers, ou MWPC) et les chambres à dérive. Les chambres à dérive sont idéales comme traceur devant un calorimètre parce que les particules perdent peu d’énergie dans les gaz. Les avantages des chambres à gaz incluent un nombre relativement faible de fils d'anode, et une bonne résolution spatiale, de l'ordre de 50 µm, et une construction facile permettant des détecteurs de grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...).

  • La région Geiger

Lorsque le champ électrique est suffisamment fort, les électrons primaires sont capables d'ioniser d’autres atomes très rapidement et une avalanche très intense se produit. De plus, un grand nombre de photons sont créés dans le processus par désexcitation des atomes. Ces photons initient eux aussi des avalanches d’ionisation par effet photo-électrique, au long du fil d’anode où le champ électrique est le plus fort. Ces avalanches sont suffisamment intenses pour générer une décharge électrique (Le terme décharge électrique désigne des phénomènes variés :) dans le gaz, si puissante qu'elle est audible. C’est le principe du compteur Geiger (Le compteur Geiger[1], ou compteur Geiger-Müller (ou compteur G-M), sert à mesurer certains rayonnements ionisants (particules alpha, bêta ou gamma et...). La décharge ne s’interrompt que lorsque la charge d’espace formée par la gaine d’ions positifs autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de l’anode écrante suffisamment le champ électrique autour de celle-ci pour que le processus de multiplication ne puisse plus continuer. Pendant ce temps le détecteur n’est plus sensible aux ionisations primaire, ce jusqu’à ce que les ions aient migré suffisamment loin de l’anode. C’est l’origine du temps mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes vivants,...) dans le compteur Geiger.

Dans une décharge, le courant d’anode est saturé. L’amplitude du signal est donc indépendante des charges primaires. Les compteurs Geiger ne peuvent pas mesurer l’énergie des particules, mais on les utilise pour compter le nombre de particules le traversant, même aux faibles énergies. Ceci est utile pour les mesures de radioactivité. Le taux maximal mesurable est limité par le temps mort.

  • La région de décharge

Augmenter le champ au-delà de la région Geiger entraîne une décharge continue. Un détecteur n’est plus utile s’il se trouve dans cette région.

Les détecteurs à scintillation

Certains milieux transparents émettent une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) de lumière en désexcitation après avoir été excités par une particule chargée (fluorescence). Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible, si le milieu est transparent dans le domaine de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d’onde correspondant au moins à certains de ces photons. Il existe divers milieux qui satisfont à cette condition de transparence :

  • Les scintillateurs organiques (plastique, liquide, cristal)

Leur mécanisme de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.) est associé aux états excités des molécules. La scintillation est basée sur les électrons 2π des liaisons C-C des molécules. La lumière émise est généralement dans l'UV. Des exemples de scintillateurs organiques cristallins sont le naphtalène, l'anthracène ou le p-terphenyl. Les scintillateurs organiques plastiques ou liquide sont constitués d'un solvant et d'un soluté. Les solvants rencontrés dans les scintillateurs organiques liquides sont le plus souvent le benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a...), le toluène ou le xylène; en scintillateurs plastiques on trouvera le polyvinylbenzène, le polyvinyltoluène, ou le polystyrène. Les solutés secondaires et tertiaires les plus largement utilisés pour des liquides ou des plastiques sont le p-terphenyl, le DPO, le PBD, le POPOP, le BBO, ou le BPO.

Les scintillateurs plastiques sont fabriqués par des méthodes complexes de polymérisation.

Les scintillateurs organiques ayant un faible numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être schématisé en première...) moyen (ils sont composés essentiellement d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et d'hydrogène), ils ont une faible efficacité de détection des photons gamma. Ils sont sensibles presque uniquement à l'effet Compton. En revanche, grâce à leur forte teneur en hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), ils permettent une très bonne détection des neutrons par des réactions de type (n,p).

  • Les scintillateurs inorganiques (cristal): NaI(Tl), CsF2, BGO, …

Leur mécanisme de fluorescence est associé à la présence d'états intermédiaires appaissant par la présence d'impuretés (le thallium dans l'iodure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve...) par exemple). Plusieurs constantes de temps existent dans les scintillateurs inorganiques, elles sont dues à la présence de deux types de recombinaisons : une recombinaison rapide des centres d'activation (Activation peut faire référence à :) (de l'ordre de la microseconde), et une recombinaison retardée associée au piègeage des porteurs (de l'ordre de de la milliseconde). Possédant généralement un numéro atomique (Z) élevé, les scintillateurs inorganiques sont efficaces pour la détection des particules chargées mais aussi des photons. L'intensité de la luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) des scintillateurs inorganiques dépend fortement de la température. Le germanate de Bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) (BGO) voit sa luminescence décroître d'environ 10% entre 0° et 40°, alors que celle de l'iodure de sodium (NaI(Tl)) augmente d'environ 5% dans cette même plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable fin ; on...) de température.

Les scintillateurs sont couplés à des photodétecteurs qui transforment la lumière émise par le scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) en électrons qui viendront former le signal utile (courant). Ces transformateurs de lumière sont appelés photomultiplicateurs (PMT), ils produisent des électrons à partir de la lumière et jouent un rôle d'amplificateur de ces électrons, qui sont produits initialement en très faible nombre.

Le but d’un photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique.) est de convertir les photons de scintillation en un signal électrique, qui peut être ensuite traité électroniquement (amplificateur etc.). Le principe physique est l’effet photo-électrique, produit avec la photocathode, qui est en général une mince couche d’un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) métallique alcalin. On définit l’efficacité quantique (h) comme le nombre de photo-électrons créés par photon incident. Typiquement h ~ 0.25, et il est fonction de la longueur d’onde du photon.

Derrière la photocathode se trouve une série d’électrodes appelées dynodes (pouvant aller de dix à quatorze), formées d’un alliage particulier, souvent du CuBe (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de...), portées à des potentiels électriques croissants. Les photo-électrons émis par la photocathode sont accélérés et focalisés sur la première dynode, en arrachant 2 à 5 électrons par photo-électron, amplifiant ainsi le signal électrique.

Le même mécanisme d’amplification se reproduit sur chacune des dynodes successives, produisant un gain pouvant atteindre 107 après 14 étages.

L’efficacité d’un détecteur à scintillation dépend donc de plusieurs facteurs :

– sa longueur d’atténuation

– sa perte de photons (efficacité de collecte)

– son efficacité quantique.

Les détecteurs scintillateurs sont utilisés en calorimétrie (La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantités de chaleur. On utilise pour cela un calorimètre. Celui-ci peut fonctionner soit à...), pour des mesures de temps de vol, comme détecteurs de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la...), en tant que déclencheurs ainsi que pour des compteurs véto.

Les détecteurs à semiconducteur

Les détecteurs à semi-conducteurs sont un type particulier de détecteurs à ionisation. Au lieu d’exciter ou de ioniser le milieu, une particule interagissant dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est...) crée des paires d’électron-trous. Les porteurs libres ainsi générés dans le semiconducteur vont migrer sous l'effet du champ électrique et induire un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) mesurable. Il suffit de quelques électron-volts pour en créer une paire (comparé à 30 eV pour une ionisation dans un gaz). Le signal mesuré dans les semi-conducteurs est donc intrinsèquement plus important, ce qui les rend très performants.

  • Avantages :

– Très bonne résolution en énergie, incomparable (L'Incomparable est un diamant jaune-brun, un des plus grand jamais trouvé dans le monde (890 carats - 178 g).) à basse température avec les détecteurs HPGe (Germanium de haute pureté).

– Détecteurs compacts (puisque solides).

– Précision, bonne résolution spatiale (structuration en pixels et micro-bandes, utilisation des technologies issues de la micro-électronique).

  • Inconvénients :

– Chers, fragiles, susceptibles d'être dégradés par les radiations

Les principaux semi-conducteurs utilisés en détection de rayonnement ionisants sont :

  • le Germanium et plus particulièrement le HPGe (High Purity Germanium), très performant en spectrométrie gamma

mais devant être utilisé à des températures cryogéniques (77K).

  • le Silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), en général avec adjonction de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) Si(Li). Son pouvoir d'arrêt limité fait qu'il est plutôt utilisé en

basse énergie.

  • l'Arséniure de Gallium.
  • le Tellurure de Cadmium (Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.) CdTe et le CdZnTe.
  • le Iodure de Mercure HgI2.

La structure des détecteurs à semi-conducteur

Détecteurs à jonction

La structure de base d’un détecteur à semi-conducteur est une jonction inversement polarisée.

  • Selon le dopage utilisé, le type de porteur majoritaire dans un semi-conducteur

peut être les électrons (type n) ou les trous (type p)

  • Quand deux semi-conducteurs de types différents sont juxtaposés,

la diffusion thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) des porteurs et la recombinaison électrons-trous créent une zone sans porteurs de charge à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.), et forme ainsi une jonction (zone de déplétion). Une barrière de potentiel (Le terme barrière de potentiel permet de désigner de façon intuitive les effets cinétiques que subit un objet mécanique de la part des forces auxquelles il est soumis. Notamment, dans le cas des forces répulsives son mouvement peut-être...) se forme dans cette zone, limitant la conduction entre les deux semi-conducteurs (cette zone est comparable à la zone de capacité d’une chambre à ionisation).

  • Une paire électron-trou générée par un photon interagissant dans la zone déplétée va être séparée et générer ainsi une tension (La tension est une force d'extension.) V = e / Ce est la charge élémentaire (La charge élémentaire est, en physique, la charge électrique d'un proton ou, de façon équivalente, l'opposé de la charge électrique d'un électron. Elle est notée e.) et C la capacité de jonction.
  • L’application d’une polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant dans le...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x =...) (Vn > Vp) élargit la zone de déplétion (Le terme déplétion peut faire référence à :), ce qui augmente le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de détection et donc l’efficacité.
Détecteurs bulk

De manière à obtenir une meilleure efficacité de détection, en particulier à haute énergie, on utilise également des structures possédant une zone non dopée (intrinsèque) volumineuse insérée entre deux contacts pouvant être des zones semiconductrices dopée (structure en diode p-i-n) ou simplement des contacts métalliques (structure métal-semiconducteur-métal, cf. jonction Schottky). En règle général, on polarise les jonctions en inverse de manière à minimiser le courant d'obscurité et donc d'optimiser le rapport signal sur bruit.

Les caractéristiques des détecteurs à semi-conducteur

  • Efficacité

L'efficacité d'un détecteur semi-conducteur dépend de nombreux facteurs : le type et l'énergie du rayonnement incident, sa géométrie, la densité et le numéro atomique du matériau utilisé, les éventuelles zones mortes dues aux propriétés de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal...) des porteurs et au mécanisme d'induction de signal. Cependant, les détecteurs semi-conducteurs étant solides et donc relativement denses, ils sont à géométrie égale souvent plus efficaces que les détecteurs à gaz.

  • Résolution en énergie

Dans les semi-conducteurs, quelques eV suffisent à créer une paire électron-trou, ce qui est environ 10 fois moins que un gaz, et 100 fois moins qu'avec un scintillateur. Cela se traduit par une meilleure résolution en énergie, puisque la statistique sur le nombre de charges élémentaires créées est plus favorable. La fluctuation du nombre de charges collectées est donc moins importante, d'où une meilleure résolution intrinsèque. Cependant, d'autre facteurs de dégradation tempèrent cette caractéristique très favorable : le bruit dû au courant de fuite, celui dû au circuit de lecture et les déficits causé par les collectes incomplètes.

  • Linéarité

Les détecteurs à semi-conducteur ont une bonne linéarité, dans la mesure où seuil de perte d’énergie est très faible. Néanmoins pour les particules fortement ionisantes, comme les ions lourds, l’efficacité de collecte est affectée par l’effet de charge spatiale (les charges dérivent moins vite, donc il y a plus de recombinaison, parce que le champ électrique est diminué).

  • Courant de fuite

Même si la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") est inversement polarisée, il existe un très faible courant (~nA) à travers la jonction. Ce courant de fuite vient des mouvements des porteurs de charge, et aussi des effets des impuretés et des effets de surface.

  • Temps de montée

Les détecteurs à semi-conducteurs sont très rapides. Le temps de montée du signal correspond au temps de transit des porteurs. Il peut aller de la nanoseconde à la microseconde selon la géométrie du détecteur et l'intensité du champ électrique.

Les applications des détecteurs à semi-conducteur

  • Mesures d’énergie

Les détecteurs à semi-conducteur ont une excellente résolution en énergie. Cependant l'efficacité des détecteurs à jonction est limitée par l’épaisseur de la zone de déplétion (de l’ordre du mm).

  • Mesures de position, en profitant des technologies de la

microélectronique pour fabriquer des motifs d'électrode précis sur le cristal :

– Détecteur au silicium de micro-bande

– Détecteur à pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie « élément d'image ». ...), CCD (charge coupled device)

Les détecteurs Cherenkov

Une particule chargée à vitesse (On distingue :) v qui traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au...) un milieu d’indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme...) n polarise les atomes tout au long de son parcours, qui deviennent des dipôles électriques. Ces dipôles émettent un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.).

Si la vitesse de particule ne dépasse pas celle de la lumière dans ce milieu, c’est-à-dire v < c/n, les rayonnements des dipôles de deux côtés du parcours s’annulent. Si v > c/n, la matière en aval ne peut être polarisée, le champ créé par la particule se propageant moins vite que celle-ci. Un rayonnement net en résulte, qui constitue l’effet Cherenkov.

La perte d’énergie par le rayonnement Cherenkov est négligeable (~1% de la perte par ionisation). Noter aussi que le rayonnement Cherenkov se produit dans tous les milieux transparents, y compris les scintillateurs. Mais la scintillation est ~100 fois plus intense.

Le seuil de rayonnement Cherenkov est beta (Le genre Beta appartient à la famille des Chénopodiacées, tribu des Cyclolobae.) > 1/n. Au seuil le rayonnement est émis en avant (Theta c=0). L’existence du seuil pour le rayonnement Cherenkov est exploité pour distinguer les particules chargées des masses différentes. Ce sont des compteurs Cherenkov à seuil.

Les particules chargées plus lourdes que mseuil n’émettent pas de rayonnement Cherenkov. On peut ainsi distinguer les particules chargées plus lourdes ou plus légères que mseuil dans un faisceau. Par exemple, dans un faisceau mélangé d’électrons et de pions chargés, on peut déclencher sur les électrons en mettant mseuil > mp. On utilise souvent un compteur Cherenkov à gaz, puisque l’indice de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci...) n est facilement réglé avec la pression du gaz.

Plusieurs compteurs à seuil peuvent également être enchaînés pour pouvoir distinguer plusieurs particules de même impulsion en même temps. Par exemple en combinant 3 compteurs avec n1 > n2 > n3 correctement choisis, on peut différencier les pions, les kaons et les protons.

Grandes expériences de physique des particules

En physique des particules, les collaborations internationales principales sont:

  • le CERN, situé sur la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier...) franco-suisse, près de Genève. Ses équipements principaux sont le LEP (Large Electron Positron, le grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) d'électrons et de positrons) maintenant démantelé et le LHC (Large Hadron Collider (Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2007 au CERN à la frontière franco-suisse. Une fois achevé, il sera le plus grand...), le grand collisionneur d'hadron) en cours de construction.
  • le DESY, situé à Hambourg, en Allemagne. Son installation principale est HERA, où l'on provoque des collisions entre des électrons ou des positrons et des protons.
  • le SLAC, situé près de Palo Alto, aux États-Unis. Son installation principale est PEP-II (collisions d'électrons et de positrons).
  • le Fermilab, situé près de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à 1 280 kilomètres à l'ouest de New York et à plus de 3 200 kilomètres au nord-est de Los Angeles. C'est la...), aux États-Unis.

Son installation principale est le Tevatron (collisions de protons et d'antiprotons).

  • Le laboratoire national de Brookhaven, situé sur Long Island, aux États-Unis. Son installation principale est le Relativistic Heavy Ion Collider, où l'on étudie des collisions entre des ions lourds tels que des ions d'or et des protons.

De nombreux autres accélérateurs de particules existent.

Objections contre la physique des particules

Au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du...) même de la physique, il y a des objections à l'approche extrêmement réductionniste d'essayer d'expliquer tout en termes de particules élémentaires et de leurs interactions. Ces objections sont habituellement formulées par les physiciens de l'état solide. Le modèle standard lui-même n'est pas mis en cause mais ils considèrent que la vérification et le perfectionnement du modèle n'est pas aussi important que l'étude des propriétés des atomes et des molécules et particulièrement de leurs propriétés dans des ensembles statistiquement grands. Ces critiques maintiennent que même une connaissance complète des particules élémentaires ne donne pas la connaissance complète des atomes et des molécules, la connaissance qui est la plus importante d'un point de vue pratique.

Les réductionnistes proclament généralement que tout progrès en sciences a impliqué le réductionnisme dans une certaine mesure.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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