Physique des particules - Définition et Explications

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Introduction

Chambre à bulles exposée à l'extérieur d'un bâtiment (probablement utilisée par le Fermilab)
(photo du Fermilab)

La physique des particules est la branche de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) qui étudie les constituants élémentaires de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires, instables, n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules stables dans les accélérateurs de particules.

Historique

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du VIe siècle av. J.-C.. À l'époque, elle reposait au fond sur l'incapacité à maîtriser la notion de continu : voir les paradoxes de Zénon d'Élée.

La doctrine philosophique de l'atomisme (L'atomisme est une théorie philosophique proposant une conception d'un univers composé de...) a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite (Démocrite d’Abdère (en grec...) et Épicure. Bien qu'au XVIIe siècle, Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) ait pensé que la matière soit composée de 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...) est constitué d'atomes minuscules. Cette hypothèse ne devint réellement scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) qu'à partir du moment où l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)

En 1869, le premier tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique de 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...) prévalant durant tout le XIXe siècle que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. 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...) et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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 science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...) et de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...), avec les preuves spectaculaires de la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau...) et de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...), donnèrent naissance à une industrie capable de produire un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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...) de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) en or.

Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de collision : un « zoo de particules ». Cette expression perdit de son intérêt après la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) du modèle standard dans les années 1970, car le grand nombre de ces particules put être conçu comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales, encore que le calcul des propriétés des particules composées en soit encore à ses balbutiements, et que les nombreux paramètres du modèle standard n'aient pas trouvé d'explication satisfaisante pour leurs valeurs.

Les grandes dates

  • 1873 : Maxwell réalise d'importantes recherches dans quatre domaines : la vision de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) moléculaire, l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) et le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...). Il arrive à unifier les deux derniers par une théorie unique, l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...). Cette théorie de Maxwell permet de décrire la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes...) lumineuses dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et d'en prédire un spectre de fréquences théoriquement illimité.
  • 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et estime sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...).
  • 1895 : Röntgen découvre les rayons X.
  • 1896 : Becquerel découvre la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...).
  • 1897 : Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
  • 1898 : Marie et Pierre Curie (Pierre Curie (15 mai 1859 à Paris - 19 avril 1906 à Paris) est un physicien autodidacte...) séparent les éléments radioactifs.
  • 1900 : Planck, afin d'interpréter les variations de couleur d'un corps incandescent en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), et de résoudre certains problèmes mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) liés à ce problème, suggère un artifice : le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) est quantifié (pour chaque fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...), il est émis par paquets d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), de valeur, ou quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...), dépendant de la fréquence).
  • 1905 : Einstein propose qu'un quantum de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), qui sera nommé en 1926 « photon », se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule (En physique, la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon...) des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...).
  • 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité de Rutherford, envoient des particules alpha sur une mince feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) d'or et observent parfois de grands angles de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense (la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) est rare) à l'intérieur de l'atome.
  • 1911 : Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Geiger et Marsden.
  • 1913 : Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
  • 1919 : Rutherford prouve l'existence du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...).
  • 1921 : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de grande intensité maintient le noyau uni, malgré la répulsion électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) coulombienne entre protons.
  • 1923 : Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
  • 1924 : de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour les particules formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) la matière.
  • 1925 : Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
  • 1926 : Schrödinger développe la mécanique ondulatoire (La mécanique ondulatoire est, comme son nom l'indique, une mécanique régie par la propagation...), qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...). Lewis propose le nom de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) 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...) d’onde relativiste pour l’électron.
  • 1930 : Pauli suggère l’existence d'un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) invisible, afin d'interpréter l'apparente disparition de l'énergie dans la désintégration β.
  • 1930 : Particules élémentaires, incluant l'électron, le proton, le neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) (dans le noyau), le neutrino dans la désintégration β, le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), quantum de champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...).
  • 1931 : Découverte du positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) \scriptstyle e^+ (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
  • 1932 : James Chadwick (Sir James Chadwick (20 octobre 1891 à Manchester - 24 juillet 1974 à...) découvre le neutron \scriptstyle n.
  • 1933/34 : Fermi formule sa théorie sur la désintégration β (interaction faible) : ex. \scriptstyle n \to p + e^- +  \bar{\nu}_e.
  • 1935 : Yukawa formule son hypothèse sur les mésons : La force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la...) est due à l’échange de particules massives, les mésons.
  • 1937 : Découverte du lepton (En physique des particules, un lepton est une particule élémentaire de spin 1/2 qui n'est...) µ. Bien qu'ayant à peu près la masse prévue pour le méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire...) de Yukawa, il n'a pas d'interactions assez fortes avec la matière pour jouer ce rôle.
  • 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...) du nombre baryonique (En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être...).
  • 1946/1947 : Découverte du méson chargé \scriptstyle\pi^\pm , le pion (Le Pion est un film français réalisé par Christian Gion en 1978.) (Powell), prédit en 1935. Le \scriptstyle\mu est produit par la désintégration β : \scriptstyle\pi^+\to\mu^+ +\nu_\mu .
  • 1946/1950 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
  • 1948 : Production artificielle du \scriptstyle \pi^+ .
  • 1949 : Découverte du \scriptstyle K^+.
  • 1950 : Découverte du pion (Le terme Pion peut désigner :) neutre, \scriptstyle \pi^0\to\gamma+\gamma.
  • 1951 : Découverte d'événements en « V » : désintégration de particules \scriptstyle K^0 et \scriptstyle \Lambda ayant une vie (La vie est le nom donné :) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) « étrangement » longue. Ceci est interprété en termes d'un nouveau nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de...), l'« étrangeté », conservé par les interactions fortes et électromagnétiques.
  • 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...) non-abéliennes.
  • 1955 : Découverte de l'antiproton \scriptstyle \bar{p} (Chamberlain et Segrè).
  • 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut engendrer une violation de la parité.
  • 1956 : Découverte de la violation de la parité dans les atomes de 60Co par Chien-Shiung Wu et Amber.
  • 1960/1970 : Découverte de centaines de particules « élémentaires » : \scriptstyle (\rho,~\omega,~K^\ast,~\Sigma,~\Xi, ~\ldots)
  • 1961 : Murray Gell-Mann (Murray Gell-Mann (1929) est un physicien américain. Il est surtout connu pour ses travaux sur...) propose la « voie octuple » SU(3)pour classer toutes ces particules.
  • 1962 : Découverte des deux neutrinos \scriptstyle\nu_\mu et \scriptstyle\nu_e .
  • 1964 : Existence des quarks \scriptstyle u,~d et \scriptstyle s (postulée par Gell-Mann et Zweig), constituants qui pourraient être à la base du classement par SU(3).
  • 1964 : Un nouveau quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie...), \scriptstyle c, est suggéré.
  • 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes \scriptstyle K^0 - \bar{K}^0 par Cronin, Fitch, Christenson et Turlay.
  • 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre. C'est pourquoi on ne peut observer les quarks colorés.
  • 1967 : Glashow, Salam et Weinberg proposent un schéma d’unification des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l’existence du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...) et des bosons lourds \scriptstyle Z^0 et \scriptstyle W^\pm, des dizaines de fois plus massifs que les particules élémentaires connues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).
  • 1968-1969 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons...).
  • 1973 : Énoncé de la théorie des interactions fortes entre particules colorées (QCD). Prédiction de l’existence des gluons.
  • 1973 : Liberté asymptotique postulée.
  • 1974 : Découverte du \scriptstyle J/\psi et de particules contenant un quark charmé \scriptstyle c, à l'Université Stanford (La Leland Stanford Junior University, plus connue sous le nom d'université Stanford, est l'une...) et à Brookhaven.
  • 1976 : Découverte d’un troisième lepton chargé, le \scriptstyle \tau^-.
  • 1976 : Découverte du méson charmé \scriptstyle D^0 et confirmation de l’existence du quark \scriptstyle c.
  • 1978 : Découverte d’un cinquième quark, le bottom \scriptstyle b, au Fermilab.
  • 1979 : Mise en évidence d’un gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble,...) à DESY (Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, « Synchrotron d'électrons allemand ») est...).
  • 1983 : Découverte du \scriptstyle Z^0 et du \scriptstyle W^\pm au CERN.
  • 1990 : L'étude de la désintégration du \scriptstyle Z^0 au LEP (CERN) montre que le nombre de neutrinos « légers » (\scriptstyle m \,<\, 45 GeV) est limité à 3.
  • 1995 : Découverte d’un sixième quark, le top \scriptstyle t, au Fermilab.
  • 1998 : Preuve de l'existence de neutrinos de masse non-nulle au Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense...).
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