Particule élémentaire - Définition et Explications

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Introduction

On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites « élémentaires » en ce qu'elles ne résultent pas de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) d'autres particules plus « petites ». Un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) n'est pas une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers...) car il est constitué d'électrons, de protons et de neutrons. Ces deux derniers, appelés du terme générique nucléons car formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) le noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...), ne sont pas non plus élémentaires car ils sont constitués de quarks. En revanche, électrons et quarks sont des particules élémentaires car ils ne sont constitués d'aucune autre particule.

On distingue les particules élémentaires qui ont un spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) demi-entier et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (En mécanique quantique, la statistique de Fermi-Dirac désigne la distribution statistique de...) et au principe d'exclusion de Pauli, et celles qui ont un spin entier et obéissent à la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de Bose-Einstein : les premières sont appelées fermions et constituent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) baryonique, les secondes sont appelées bosons et constituent les champs de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) — on parle plutôt d'interactions — hormis la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...), qu'on n'a pas encore réussi à intégrer au modèle.

Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en trois générations, c'est-à-dire en trois quadruplets de particules dont les termes correspondants sont de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) croissante d'une génération à la suivante. Seuls les fermions de la première génération (dont la masse est la plus faible) sont couramment observés et constituent la matière que nous connaissons ; les huit autres fermions ne s'observent que dans des conditions particulièrement énergétiques qui ne se rencontrent pas dans notre environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) usuel.

  Leptons Quarks
Charge électrique 0 –1 e +2/3 e –1/3 e
Fermions de
1ère génération
 
νe
e
u
d
Fermions de
2ème génération
 
νµ
µ
c
s
Fermions de
3ème génération
 
ντ
τ
t
b
 
Interactions Faible Électro-
magnétique
Forte
Bosons de jauge   Z0
W±
γ
g
Particules élémentaires du modèle standard

Le modèle standard

Les premiers pas dans l'élaboration du modèle standard des particules élémentaires ont été faits en 1960 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) américain Sheldon Glashow (Pr. Sheldon Lee Glashow, Ph. D., Hon. D. Sc. (5 décembre 1932 à New York) est un...), prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) 1979, avec l'unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...) de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible en une interaction électrofaible (En physique des particules, l'interaction électrofaible, aussi appelée force...) au-dessus d'une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) d'unification de l'ordre de 100 GeV. Puis, en 1967, l'Américain Steven Weinberg (Steven Weinberg, Ph.D., Hon. D. Sc. (3 mai 1933 à New York) est un physicien américain....) et le Pakistanais Abdus Salam (Abdus Salam (29 janvier 1926 à Jhang Sadar, Inde (aujourd'hui au Pakistan) -...) ont intégré le mécanisme de Higgs (théorisé en 1964 par Peter Higgs) au modèle élaboré par Glashow pour lui donner sa forme actuelle, qui rend compte de la masse des particules ; ils ont reçu pour cela le prix Nobel de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 1979, en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) que Glashow. Enfin, le modèle standard a été finalisé par l'unification de la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie...) avec l'interaction électrofaible, afin d'y intégrer l'interaction forte rendant compte notamment de la liberté asymptotique ainsi que du confinement de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) des quarks en hadrons dont la charge de couleur (En physique des particules , la charge de couleur est une propriété des quarks et des gluons qui...) résultante est toujours « blanche » (d'où le qualificatif chromodynamique appliqué à cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) quantique des champs).

D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) mathématique, les théories quantiques des champs ont été formalisées dans le cadre de théories de jauge à l'aide de groupes de symétrie locale prenant la forme de groupes de Lie complexes sous-tendant chacun les symétries de jauge modélisées. Ainsi :

  • l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...) a permis de décrire l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...) dans le cadre d'une théorie de jauge abélienne avec le groupe unitaire U(1),
  • l'interaction faible a été décrite avec le groupe spécial unitaire SU(2),
  • l'interaction électrofaible l'a été avec le groupe de jauge SU(2)×U(1)
  • la chromodynamique quantique (interaction forte) l'a été avec le groupe SU(3)
  • enfin, le modèle standard a été élaboré avec le groupe de jauge SU(3)×SU(2)×U(1).
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