Introduction
Cet article est une liste de particules en physique des particules, incluant les particules élémentaires actuellement connues et hypothétiques, ainsi que les particules composites qui peuvent être construites à partir d'elles.
Liste de particules
Particules élémentaires
Une particule élémentaire est une particule ne possédant aucune structure interne mesurable, c’est-à-dire qu'elle n'est pas composée d'autres particules. Il s'agit des objets fondamentaux de la théorie quantique des champs. Les particules élémentaires peuvent être classées selon leur spin, les fermions possédant un spin demi-entier et les bosons un spin entier.
Modèle standard
Le modèle standard décrit l'état actuel des connaissances des particules élémentaires. Toutes les particules du modèle standard ont été observées, à l'exception du boson de Higgs.
Fermions (spin demi-entier)
Structure du proton : 2 quarks up et un quark down.
Les fermions possèdent un spin demi-entier ; pour tous les fermions élémentaires connus, il s'agit de ½. Chaque fermion possède sa propre antiparticule distincte. Les fermions sont les briques de base de la matière. Ils sont classés suivant qu'ils interagissent par l'intermédiaire de l' interaction forte ou pas. Selon le modèle standard, il existe douze saveurs de fermions élémentaires : six quarks et six leptons.
- Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte. Leurs antiparticules respectives sont les antiquarks. Il existe six saveurs de quarks :
| Génération | Nom / Saveur | Charge électrique (e) | Masse (MeV) | Antiquark | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Up | (u) | +2/3 | 1,5 à 4 | Anti-up | |
| Down | (d) | −1/3 | 4 à 8 | Anti-down |
| 2 | Strange | (s) | −1/3 | 80 à 130 | Anti-strange |
| Charm | (c) | +2/3 | 1 150 à 1 350 | Anti-charm |
| 3 | Bottom | (b) | −1/3 | 4 100 à 4 400 | Anti-bottom |
| Top | (t) | +2/3 | 170 900 ± 1 800 | Anti-top |
- Les leptons n'interagissent pas par l'intermédiaire de l'interaction forte. Leurs antiparticules respectives sont les antileptons (même si l'antiparticule de l'électron est appelée positron pour des raisons historiques). Il existe six saveurs de leptons :
| Lepton chargé / antiparticule | Neutrino / antineutrino | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nom | Symbole | Charge électrique (e) | Masse (MeV) | Nom | Symbole | Charge électrique (e) | Masse (MeV) |
| Électron / positron | −1 / +1 | 0,511 | Neutrino électronique / antineutrino électronique | 0 | < 0,0000022 | ||
| Muon | −1 / +1 | 105,7 | Neutrino muonique / antineutrino muonique | 0 | < 0,17 | ||
| Tauon | −1 / +1 | 1 777 | Neutrino tauique / antineutrino tauique | 0 | < 15,5 | ||
Note : on sait que les masses des neutrinos ne sont pas nulles à cause de l'effet d'oscillation, mais elles sont suffisamment faibles pour ne pas avoir été mesurées directement en 2006.
Bosons (spin entier)
Les bosons possèdent un spin entier. Les interactions élémentaires sont transmises par les bosons de jauge et leur masse est théoriquement créée par le boson de Higgs. Selon le modèle standard, les bosons élémentaires sont :
| Nom | Charge (e) | Spin | Masse (GeV) | Interaction |
|---|---|---|---|---|
| Photon | 0 | 1 | 0 | Électromagnétisme |
| W | ±1 | 1 | 80,4 | Interaction faible |
| Z | 0 | 1 | 91,2 | Interaction faible |
| Gluon | 0 | 1 | 0 | Interaction forte |
| Higgs | 0 | 0 | >115 | Voir ci-après |
Le boson de Higgs (de spin nul) est prédit par la théorie électrofaible et est la seule particule du modèle standard à ne pas avoir été observée. Dans le mécanisme de Higgs du modèle standard, le boson de Higgs est créé par une brisure spontanée de symétrie du champ de Higgs. La masse intrinsèque des particules élémentaires (tout particulièrement celle des bosons W et Z) est expliquée par leur interaction avec ce champ.
Particules hypothétiques
Les théories supersymétriques prédisent l'existence de plus de particules, aucune n'ayant été confirmée expérimentalement en 2009.
- Le neutralino (spin ½) est une superposition des superpartenaires de plusieurs particules neutres du modèle standard. Il s'agit du candidat principal pour la matière noire. Les super-partenaires des bosons chargés sont appelés charginos.
- Le photino (spin ½) est le super-partenaire du photon.
- Le gravitino (spin 3/2) est le super-partenaire du graviton dans les théories de la supergravité.
- Les sleptons et les squarks (spin 0s) sont les super-partenaires des fermions du modèle standard. Le squark stop (super-partenaire du quark top) est supposé léger et est souvent le sujet de recherches expérimentales.
| Particule du modèle standard | Partenaire supersymétrique |
|---|---|
| Quark (Fermion) | Squark (Boson) |
| Electron (Fermion) | Sélectron (Boson) |
| Neutrino (Fermion) | Sneutrino (Boson) |
| Gluon (Boson) | Gluino (Fermion) |
| Graviton (Boson) | Gravitino (Fermion) |
| Photon (Boson) | Photino (Fermion) |
D'autres théories prédisent l'existence de bosons additionnels :
- Le graviton (spin 2) a été proposé comme vecteur de la gravitation dans les théories de gravitation quantique.
- Le graviscalaire (spin 0).
- L'axion (spin 0) est une particule pseudo-scalaire introduite par la théorie de Peccei-Quinn afin de résoudre le problème de l'absence de violation de la symétrie CP dans la chromodynamique quantique.
- Le saxion (spin 0) et l'axino (spin 1/2) forment avec l'axion un super-multiplet dans les extensions supersymétriques de la théorie de Peccei-Quinn.
- Le boson X et le boson Y, prédits par les théories de grande unification comme des équivalents plus massifs des bosons W et Z.
- Le photon magnétique
Le monopôle magnétique est le nom général de particules possédant une charge magnétique non-nulle ; elles sont prédites par certaines théories de grande unification.
Un tachyon est une particule hypothétique qui voyage plus rapidement que la vitesse de la lumière et possède une masse au repos imaginaire
Le préon était une sous-structure théorique des quarks et des leptons, mais les collisionneurs n'ont pas prouvé leur existence.
Particules composites
Hadrons
Les hadrons sont des particules composites interagissant avec l'interaction forte. Il s'agit :
- de fermions, auquel cas ils sont appelés baryons ;
- de bosons, auquel cas ils sont appelés mésons.
Le modèle des quarks, proposé en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig (de façon indépendante), décrit les hadrons comme composé de quarks et d'antiquarks de valence, lié par l'interaction forte, laquelle est transmise par des gluons. Une « mer » de paires quark-antiquark virtuelles est également présente dans chaque hadron.
Baryons (fermions)
Une combinaison de trois quarks u, d ou s avec un spin total de 3/2 forme un décuplet baryonique.
Pour une liste détaillée, voir Baryon.
Les baryons ordinaires contiennent trois quarks ou antiquarks de valence :
- Les nucléons sont les composants fermioniques des noyaux atomiques standards :
- Proton
- Neutron
- Les hypérons tels les particules Λ, Σ, Ξ et Ω, qui contiennent un ou plusieurs quarks strange, ont une durée de vie courte et sont plus massifs que les nucléons.
- Quelques baryons comportants des quarks charm et bottom ont été observés.
Quelques indications de l'existence de baryons exotiques ont été détectées récemment, mais leur existence est toujours incertaine :
- Le pentaquark est formé de quatre quarks de valence et d'un antiquark de valence.
Mésons (bosons)
Des mésons de spin 0 forment un nonuplet
Pour une liste détaillée, voir Méson.
Les mésons ordinaires contiennent un quark de valence et un antiquark de valence, et incluent le pion, le kaon, le méson J/Ψ. Dans les modèles d'hadrodynamique quantique, l'interaction forte entre nucléons est transmise par des mésons.
Des mésons exotiques pourraient exister. Leur signature a été détectée, mais leur existence est toujours incertaine :
- Le tétraquark est formé de deux quarks et de deux antiquarks de valence.
- La boule de glu est formée de gluons liés et ne possède aucun quark de valence.
- les hybrides sont formés de un ou plusieurs quarks ou antiquarks de valence et d'un ou plusieurs gluons.
Noyaux atomiques
Le noyau atomique est formé de protons et de neutrons. Chaque type de noyau contient un nombre spécifique de ces deux particules et est appelé un isotope.
Atomes
Les atomes sont les plus petites particules neutres du point de vue des réactions chimiques. Un atome est constitué d'un noyau atomique entouré d'un nuage électronique. Chaque type d'atome correspond à un élément chimique spécifique.
Molécules
Les molécules sont les plus petites particules en lesquelles une substance non-élémentaire peut être divisée tout en conservant ses propriétés physiques. Les molécules sont des composés d'un ou plusieurs atomes.
Matière condensée
Les équations de champ de la physique de la matière condensée sont remarquablement similaires à celles de la physique des particules. En conséquence, la plus grande part de la physique des particules s'applique à la matière condensée ; en particulier, certaines excitations de champs appelée quasi-particules peuvent être créées et étudiées :
- Les phonons sont des modes vibratoires à l'intérieur d'une structure cristalline.
- Les excitons sont des états liés d'un électron et d'un trou.
- Les plasmons sont des excitations cohérentes d'un plasma.
- Les polaritons sont des mélanges de photons et d'autres quasi-particules.
- Les polarons sont des quasi-particules chargées et en déplacement, entourées d'ions dans un matériau.
- Les magnons sont des excitations cohérentes des spins d'électrons dans un matériau.
Autres
- Un goldstino est un fermion de Goldstone produit par la brisure spontanée de la supersymétrie
Catégorisation par vitesse
- Un bradyon (ou tardyon) se déplace moins vite que la lumière et possède une masse non-nulle.
- Un luxon se déplace à la vitesse de la lumière et possède une masse nulle.
- Un tachyon est une particule hypothétique qui se déplacerait plus vite que la vitesse de la lumière et possèderait de ce fait une masse imaginaire. L'existence de tachyons poserait de nombreux problèmes conceptuels : par exemple, il existerait des tachyons d'énergie nulle, qui pourraient être émis en paires au sein du vide.