le modèle standard de la physique des particules

111 Pages·2016·13.48 MB·French

Chapitre 4 : le modèle standard de la physique des
particules
1 Vers l’infiniment petit : physique des particules « élémentaires »,
À l’inverse de l’électron, le proton et le neutron, ainsi que la plupart des autres particules
« élémentaires » possèdent une structure interne.
Ce modèle standard explique de quoi la matière est faite et comment ses constituants
interagissent.
Dans le modèle standard, il existe trois grandes catégories de particules élémentaires :
(cid:1)
les quarks,
(cid:1)
les leptons
(cid:1)
les bosons de jauge.
Toutes les particules connues (comme les protons, neutrons, électrons) sont composées de
quarks et de leptons (collectivement nommés fermions), et elles interagissent en échangeant
des bosons de jauge.
Ainsi, toute la matière de l'Univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par les
organismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Les quarks ont des propriétés bien
différentes des leptons ; et de plus, pour chaque sorte de particule, il existe une particule
d'antimatière correspondante.
L’antimatière
Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule (symétrie matière-antimatière). Les
antiparticules sont en tous points semblables aux particules correspondantes, excepté que
toutes leurs caractéristiques physiques (sauf la masse), comme la charge électrique sont de
signes opposés. Par exemple, un proton est chargé positivement alors qu'un antiproton est
chargé négativement.
La première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un positron (anti-
électron) produit par la rencontre entre un rayon cosmique et un noyau atomique de
l'atmosphère.
En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créer
des anti-atomes. Les physiciens se sont déjà appliqués à construire des atomes d'anti-
hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50 000 atomes) dans les laboratoires du
CERN.
Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elles
s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions
entre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie et
sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs.
L'antimatière a donc une durée de vie très courte dans notre
environnement : à moins qu'elle ne soit isolée par des champs
magnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihile
alors.

Énergie et masse des particules élémentaires
Equivalence masse / énergie
L’électron–volt, une unité de masse énergie adaptée à la physique nucléaire
En physique, l'électron-volt (symbole eV) est une unité de mesure d'énergie. Sa valeur est
définie comme étant l'énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une
différence de potentiel d'un volt.
Un électron-volt est donc égal à environ : 1,60217653×10-19 joule (J).
C'est une unité hors système international (SI) dont la valeur est obtenue expérimentalement.
On utilise l'électron-volt notamment en physique des particules pour exprimer les niveaux
d'énergie rencontrés dans les accélérateurs de particules et la fusion thermonucléaire, en
physique des semi-conducteurs pour exprimer le gap de ceux-ci ou en physique des plasmas.
Multiples usuels :
D'après la relation E = m·c2 de la relativité restreinte, on déduit :
Par exemple, la masse de l'électron est de 511 keV/c2, celle du proton de 938 MeV/c2 et celle du
neutron est de 940 MeV/c2.
Equivalence masse énergie des éléments constitutifs de la matière