Les particules élémentaires (Au cœur de la matière 3)

lundi 14 août 2017.
 

Troisième partie : les particules élémentaires

Suite des parties précédentes : Au cœur de la matière

Partie 1 L’atome, de Dalton à ITER

http://www.gauchemip.org/spip.php?a...

Partie 2 : Les idées-forces des théories de la physique contemporaine

http://www.gauchemip.org/spip.php?a...

3 – Les particules élémentaires et le modèle standard.

.3.0 – Les unités de masse et d’énergie.

On utilise ici, par exemple, la notation 10 E12 pour signifier 10 puissances 12, c’est-à-dire 1 suivi de 12 zéros. ou encore la notation 10 E – 6 pour 0,000 001 en raison de contraintes typographiques.

L’électronvolt est l’équivalent d’une masse extrêmement petite (E = 1 eV ⇔ m = 1,78 × 10E–36 kg). C’est la raison pour laquelle on aura, la plupart du temps, recours à des multiples de l’électronvolt : le kiloélectronvolt (keV ou 10E 3 eV), le mégaélectronvolt (MeV ou 10E6 eV), le gigaélectronvolt (GeV ou 109 eV) et le téraélectronvolt (TeV ou 10E12 eV).

Exprimée dans cette unité, la masse du proton vaut 938 MeV (valeur plus aisée à manipuler que 1,67 × 10 E–27 kg). Celle de l’électron vaut 0,511 MeV ou 0,91 × 10E–30 kg (il s’agit comme dans tous les cas, de masse au repos !). Ce dernier nombre mérite d’être rapproché d’une autre masse fameuse, celle du Soleil, soit 2 × 10 E30 kg ! http://www.jeunesse-et-science.be/s...

3.1 – Des rayons cosmiques aux accélérateurs de particules.

Dans un dossier d’information intitulé : "Les rayons cosmiques, messagers célestes", le CNRS rappelle que la physique des particules est principalement née avec ’étude des rayons cosmiques. source : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosb...

La "découverte du positon par Anderson, en 1932, qui ressemblait en tout point à un électron mais qui tournait dans la direction opposée lorsqu’il était soumis à un champ magnétique, indiquant à l’évidence qu’il était de charge électrique opposée. Or un électron de charge positive, c’est exactement ce qu’avait prédit Paul Dirac quelques années plus tôt. La découverte d’Anderson marquait, non seulement la découverte d’une particule jusque là inconnue, mais aussi celle de ce qui n’était alors qu’une vue de l’esprit des théoriciens les plus audacieux : l’antimatière

De nombreuses découvertes suivirent, toutes induites par l’étude des interactions des rayons cosmiques. Citons notamment le « muon », en 1936, identique à l’électron, mais 200 fois plus lourd, puis les trois types de « pions », en 1947, ou encore, de 1949 à 1953, les kaons, lambda, xi, sigma… particules qualifiées d’« étranges » en raison de leur durée de vie beaucoup plus longue qu’on ne pouvait s’y attendre compte tenu de leur masse. On finit par comprendre, longtemps après, qu’elles étaient constituées d’un quark différent de ceux composants les autres particules connues. Elles reçurent alors le nom de quark étrange."

Parallèlement, en 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d’azote en isotopes d’atome d’oxygène en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope radioactif naturel. Mais percer le potentiel à la surface nucléaire qui croît d’un million de volts pour l’hydrogène ordinaire à 16 millions pour l’uranium nécessitait des moyens techniques adaptés. Nous ne passerons pas en revue ici l’ensemble des appareils conçus pour franchir cette barrière. C’est en Angleterre que John Cockcroft et Ernest Walton en 1932, réalisèrent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées. Ils utilisèrent un multiplicateur de tension4 à l’aide d’un montage complexe de redresseurs et de condensateurs (s’inspirant du montage de Greinacher en 1919).

Presque simultanément, le cyclotron, premier type d’accélérateur de particules circulaire est inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ électrique alternatif à des énergies de quelques MeV à une trentaine de MeV.

En général, les principaux composants nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualité. Les champs électriques et magnétiques sont utilisés pour accélérer et diriger les particules. Le vide poussé permet que les particules accélérées ne soient pas ralenties suite à des collisions avec d’autres particules présentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.

Pour dépasser les limites des cyclotrons, il a été imaginé, dès les années 1943, de faire varier la fréquence de la tension accélératrice de façon qu’elle reste synchronisée avec le moment de passages des particules. L’accélération doit être pulsée et la phase de la tension accélératrice doit être réglée pour que les particules restent groupées : c’est le rôle des synchrones. Après la seconde guerre mondiale des synchrotrons successifs ont dépassé l’énergie symbolique de 1 GeV vers 1950, 30 GeV en 1960, 500 GeV en 1972, 1 TeV dans les années 1980. Le synchrotron à protons de 6 GeV a produit les premiers antiprotons à Berkeley en 1956. Entre 1955 et 1970 (Berkeley, Brookhaven, CERN) des synchrotrons à protons ont permis la découverte de résonances, du neutrino muonique, de la violation de la symétrie CP (voir deuxième partie concernant la théorie électrofaible).

Il existe des accélérateurs linéaires et circulaires. On peut les classer par niveau d’énergie : basses énergies : de 10 à 100 MeV ; moyenne énergies : de 100 à 1 000 MeV ; hautes énergies : plus de 1 GeV et au-delà du TeV (Tera électronvolt=10E12eV).

Les accélérateurs les plus puissants actuels sont des collisionneurs. En effet, dans les synchrotrons, seule une partie de l’énergie fournie par l’accélération est disponible pour la collision (environ de l’ordre de la racine carrée de l’énergie fournie). En revanche, en accélérant deux faisceaux de particules, et en les faisant entrer en collision frontalement, la totalité de l’énergie cinétique produite est utilisée pour la fragmentation.

"Ainsi, le collisionneur protons – antiprotons du Fermilab a permis d’atteindre environ 2000 GeV (2 TeV) pour la création de particules nouvelles. Pour avoir une énergie équivalente avec une cible fixe, il aurait fallu un accélérateur produisant des antiprotons de 2000 TeV". (La matière espace temps. Page 124. Tannoudji et Spiro .Ed. Fayard. Folio –essai). On comprend donc que les machines de pointe actuelles soient des collisionneurs.

Le collisionneur le plus puissant du monde est actuellement le Large Hadron Collider (LHC) du CERN à Genève d’une puissance de 7 TeV muni d’annaux circulaires de 27 km. Son coût revient à 5,2 milliards d’euros dont 4,6 milliards pour la construction. À titre de comparaison, une centrale nucléaire coûte de 2,5 à 3,5 milliards d’euros par unité de 1000 Mégawatts.

Pourquoi des énergies toujours plus élevées ? Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique ou des particules composites, les accélérateurs doivent accélérer les particules au-delà de 1 GeV D’après la loi E = hc/l reliant l’énergie E à la longueur d’onde l associée à la particule, si la longueur d’onde de la particule sonde est courte, la matière peut être examinée à une échelle extrêmement petite. Plus l’énergie est haute, plus courte est la longueur d’onde Il existe une autre raison. La plupart des corpuscules qui intéressent les physiciens des particules élémentaires aujourd’hui n’existent pas à l’état libre dans la nature ; ils doivent être créés artificiellement en laboratoire. La célèbre équation E=mc2 gouverne l’énergie de collision E requise pour produire une particule de masse m. Plusieurs des particules les plus intéressantes sont si lourdes que des énergies de collision de centaines de GeV sont nécessaires pour les créer. En fait pour comprendre et consolider les théories actuelles il faut aller au-delà du TeV (en construisant des accélérateurs permettant la physique Terascale). La validation des théories de la grande unification nécessite de très haut niveau d’énergie.

Il y a quatre catégories de collisionneurs : - électrons contre positrons. Exemples : le SLAC ; le LEP. - hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons). Exemples : le SPS ; le Tevatron ; le LHC. - électrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l’HERA. - ions contre ions. Exemples : le RHIC ; le LHC pourra également faire entrer en collision des ions lourds au sein de l’expérience ALICE.

Pour être au niveau de l’actualité, sur le projet ALICE du CERN, on peut se reporter au communiqué du bureau de presse du CERN du 13/08/2012 intitulé : Les expériences LHC ouvrent de nouveaux horizons sur la matière de l’Univers primordial. http://press.web.cern.ch/fr/press-r... Par ailleurs, sont également envisagées des collisions électrons contre ions En 2004, il y avait plus de 15 000 accélérateurs dans le monde1. Une centaine seulement sont de très grosses installations, nationales ou supranationales (CERN). Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des accélérateurs industriels d’électrons2. De très nombreux petits accélérateurs linéaires sont utilisés en médecine (radiothérapie anti-tumorale). Certains accélérateurs sont aussi utilisés à des fins militaires.

Pour plus de détails on peut se référer à :

- Accélérateurs de particules : http://fr.wikipedia.org/wiki/Acc%C3... http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_...
- Cyclotron : http://fr.wikipedia.org/wiki/Cyclotron
- Synchrotron : http://fr.wikipedia.org/wiki/Synchrotron
- Synchrocyclotron : http://fr.wikipedia.org/wiki/Synchr...
- Collisionneur LHC : http://fr.wikipedia.org/wiki/Large_...

Nous ne parlerons pas ici des détecteurs de particules telles les chambres de Wilson, chambres à bulles, chambras à étincelles, détecteurs à scintillations, etc. qui, par différents processus, permettent la visualisation des trajectoires, collisions et désintégrations de particules. Il existe plus d’une vingtaine de détecteurs de types différents. Voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Cat%C3...

3.2 – Le classement des particules élémentaires.

La prolifération des découvertes de particules à partir des années 1955 – 60, a conduit les physiciens à construire, grâce au modèle standard qui s’appuie sur la théorie quantique des champs, une classification des particules élémentaires et aussi des particules composites. Il s’agissait de trouver une cohérence de natures au travers un ensemble de 300 particules environ, principalement découvertes au sein des accélérateurs de particules.

A – Deux grandes classes de particules : les fermions et les bosons.

Il n’existe que deux grands types de particules élémentaires dans l’univers : les fermions qui en constituent les briques et les bosons qui en constituent le ciment en véhiculant les champs de force c’est-à-dire les interactions les liant. On appelle aussi ces bosons particules intermédiaires, messagères, vecteurs de force, quantum de champ.

Les fermions sont des particules de spin demi-entier qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac. Ils respectant le principe d’exclusion de Pauli. La fonction d’onde associée à ces particules est antisymétrique.

Les bosons sont des particules de spin entier qui obéissent à la statistique de Bose- Einstein. La fonction d’onde associée à ces particules est symétrique.

À chaque type d’interaction : électromagnétique, électrofaible, forte, gravitationnelle correspond un type de boson particulier.

B – Les fermions

B1 - Deux grandes familles de fermions :les leptons et les quarks.

Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en deux catégories : les 6 leptons (et leurs antiparticules les antlieptons) et les six quarks (et leurs antiparticules (les antiquarks).

Parmi les douze fermions du modèle standard, six ne sont pas soumis à l’interaction forte et ne connaissent que l’interaction faible et l’interaction électromagnétique : ce sont les leptons. L’interaction électromagnétique ne concerne que les particules portant une charge électrique, tandis que l’interaction faible agit sur tous les leptons, y compris électriquement neutres.

Les 6 leptons sont :
- l’électron (e), le muon (µ) et le tau (τ) qui sont des particules chargées négativement (charge électriques – 1) sensibles à l’interaction électromagnétique mais aussi à l’interaction faible (charges ou isospins faibles -1/2). À chacun est associé un neutrino pour former un doublet.
- le neutrino électronique (νe), le neutrino muonique (νμ) et le neutrino tauique (ντ) qui sont des particules sans charge électrique (neutres) sensibles à l’interaction faible.(isospins faibles + ½)

Les 6 quarks sont :
- up (u) ; charmed (c) ; top ou truth (t) tous trois de charge électrique +2/3 de charge faible +1/2

- et down (d) ; strange (s) ; bottom (b) tous trois de charge électrique -1/3 et de charge faible - 1/2

Chaque quark peut posséder l’une des trois couleurs R,V, B. Chaque couleur est elle-même la résultante de trois charges de couleur, la somme des trois composantes étant nulle pour chaque couleur. (Voir chromodynamique quantique, 2ème partie). La couleur explique l’interaction forte . Ainsi les quarks sont concernés par les trois types d’interactions : électrique, faible et forte.

B2 – Trois générations de fermions.

Compte tenu de la stabilité (durée de vie) et de la masse de chaque particule élémentaire, on définit trois générations de particules, chacune étant constituée d’un quadruplet de particules : deux leptons et deux quarks. Les termes correspondants sont de masse 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 usuel. Mous indiquons entre parenthèses les dates de découverte des particules.

La première famille contient : l’électron (1897) avec le neutrinos associé νe.(1956) et les quarks up (1960) et down (1960). Elles constituent la matière qui nous entoure. Ce sont les particules les plus stables et les plus courantes.

Dans la deuxième famille, on trouve le muon (1937) avec le neutrino associé νμ.(1956) et les quarks strange (1947). et charm (1975)

Dans la troisième famille, il y a le tauon (1975) avec le neutrino associé ντ (1956) et les quarks bottom. (1977) et top (1994)

Chaque particule possède son antiparticule.

B3 – Les caractéristiques des fermions. ( http://fr.wikipedia.org/wiki/Fermion )

Il a déjà été indiqué précédemment leurs charges électriques et leurs charges faibles. Leurs charges de couleur sont nulles. On indique maintenant leurs masses et leurs temps de vie.

Pour les leptons, (http://fr.wikipedia.org/wiki/Lepton )

- Électron : 0,511 MeV (9,109 382 6×10 E - 31kg ) – stable http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89... (article très complet.)

- Muon : 106 MeV soit 200 fois la masse de l’électron – 2µs http://fr.wikipedia.org/wiki/Muon

- Tauon : 1777 MeV soit environ 3500 fois la masse d’un électron - 2.8×10 E–13 s http://fr.wikipedia.org/wiki/Tauon

- Neutrinos : tous les neutrinos ont une masse nulle ou au plus une masse inférieure à 0,23 eV. - Ils sont stables et se propagent à la vitesse de la lumière. http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino

Pour les quarks, (http://fr.wikipedia.org/wiki/Quark

Seuls les quarks u et d sont stables. Les autres sont d’autant plus instables que leur masse est élevée.

- u : 1,5 à 4,0 MeV. Dernière évaluation : 2,01 +/- 0,14 MeV (0,214 % de la magie proton)

- d : 4 à 8 MeV . Dernière évaluation : 4,79 +/- 0,16 MeV (0,510 % de la masse du proton)

- s : 80 à 130 MeV

- c : 1,15 à 1,35 GeV

- b : 4,1 à 4,4 GeV

- t : 173 ± 3 GeV. Dernière évaluation : 173,1 ± 1,3 GeV http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_l...

C- Les bosons.

Rappelons les quatre types d’interaction avec leurs constantes de couplage approximatives.
- 1. l’interaction forte (≈ 1)
- 2. l’interaction électromagnétique (≈ 10 E -2)
- 3. l’interaction faible (≈ 10E -14)
- 4. l’interaction gravitationnelle (≈10E - 39).

C1- Les quatre types de bosons élémentaires du modèle standard.

Ce sont les particules qui véhiculent les différentes interactions ou champs de force. La force de couplage entre deux fermions est assurée par un échange de bosons entre eux. Tous les bosons sont des bosons vecteurs (de spin 1) sauf le boson de Higgs qui est un boson scalaire (spin 0). On classe les bosons en trois catégories principales auxquelles on ajoute le boson de Higgs.

- les photons sont les bosons de jauge de l’interaction électromagnétique. Ils sont considérés comme quantum de lumière par Einstein en 1905

- les bosons W+ , W- et Zo sont ceux de l’interaction faible. Ils ont été découverts en 1983 au CERN mais prévus en 1967. Les bosons W+ et W- sont antiparticule l’une de l’autre.

- les gluons sont ceux de l’interaction forte. Les gluons sont les vecteurs de l’interaction qui maintient les quarks ensemble. Découverts en 1979 au DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron) en Allemagne, prévus en 1973.

- le boson de Higgs. Son existence a été prévue par Peter Higgs et d’autres dès 1960 mais sa découverte date de 2012. Les photons et les gluons sont de masse nulle. Mais pour démontrer que les autres particules possèdent une masse il fallait démontrer l’existence d’un autre boson prévu par les calculs vers la fin des années 60.

Autrefois, la notion approximative de parton – partie d’un hadron – recouvrait celle de quark et de gluon.

- le graviton : particules actuellement hypothétique ne faisant pas partie à proprement parler du modèle standard mais néanmoins prévu pour la théorie. Sa masse et sa charge électrique devraient être nulles et son spin égal à 2. Cette particule est censée être responsable de l’interaction gravitationnelle, donc notamment de la pesanteur.

Sa mise en évidence expérimentale n’a pas encore été faite mais des calculs récents indiquent que le grand collisionneur LHC de 14 TeV devrait pouvoir la mettre en évidence par collision proton – proton : pp→ G → e+e− selon le modèle de Randall et Sundrum. Voir : http://w3.iihe.ac.be/publications/m...

Ressources complémentaires sur ce paragraphe. Dans l’ordre :

Photon : http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

Boson :http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_...

Boson de Higgs. : http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_...

Boson Zo : http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_Z

Boson W : http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_W

Gluon : http://fr.wikipedia.org/wiki/Gluon

Graviton : http://fr.wikipedia.org/wiki/Graviton

C2 – Caractéristiques des bosons.

Ils sont tous de charge électrique nulle sauf les bosons W± de charge ± 1.

- Photon masse nulle – stable

- W± : masse 80,4 GeV- 3×10 E– 25 s

- Zo : 91,2 GeV - 3×10 E– 25 s

- gluon : zéro

- Higgs : 125 à126 GeV - indéterminée

- graviton : 0 - stable

C3 – Le boson de Higgs.

Cette découverte constituait l’un des principaux défis actuels de la physique des particules. Le Large Hadron Collider (LHC) à Genève en fonction depuis septembre 2008, fut principalement conçu pour pouvoir donner une preuve matérielle de l’existence du boson de Higgs. Le 4 juillet 2012, le CERN a annoncé avoir mis au jour grâce au LHC un boson présentant pour la première fois les caractéristiques attendues du Higgs dans un domaine de l’ordre de 125 GeV (correspondant à environ 133 fois la masse du proton) avec 99,9999 % de certitude. La confirmation définitive de cette découverte pourrait encore prendre plusieurs années pour respecter tous les critères généralement admis en physique des particules.

Son spin semble établi à 0 et non pas 1 comme pour le photon. Comme tous les autres bosons (sauf le W de charge 1) sa charge est nulle. Pour être précis, ce boson de Higgs est le quantum du champ Higgs, champ qui confère une masse aux particules par interaction avec le champ de Higgs. Par un processus appelé mécanisme de Higgs, la plupart des particules interagissent avec ce champ et de ce fait acquiert une masse alors que d’autres comme le photon n’interagissent pas avec ce champ et gardent une masse nulle.

Le fait de donner ainsi une explication à l’origine de la masse des particules fait tourner la tête de certains commentateurs qui voient alors apparaître la main de Dieu sortir du néant ou plutôt du vide quantique. Wikipédia a raison de rappeler : "Les appellations « particule-dieu » (traduction littérale du surnom « God Particle » donné par Leon Lederman) et « particule de Dieu » (traduction incorrecte du même surnom), utilisées par les médias pour désigner le boson de Higgs, sont généralement réprouvées par les physiciens".

Pour plus de détails sur le boson de Higgs voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_...

Le bon webzine Futura sciences a consacré de bons articlePS sur cette découverte : http://www.futura-sciences.com/fr/d... http://www.futura-sciences.com/fr/n... http://www.futura-sciences.com/fr/d...

3.3 – Les hadrons : leur composition en quarks et leur classement.

Les particules composées (ou composites)formées de quarks et d’antiquarks sont appelées hadrons. Elles sont sensibles l’interaction forte. Il en existe environ 350. ( http://fr.wikipedia.org/wiki/Hadron )

Les hadrons se répartissent en deux classes :

1ère classe :Les baryons (ou hadrons fermioniques).

Ils sont formés de trois quarks (le quark t, de vie trop courte, est exclus). Les nucléons sont les baryons les plus connus : neutrons (udd) et les protons (uud) de masses respectives 938.3 et 939.5 MeV http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron

Mais il en existe beaucoup d’autres. Appelons q un quark de première génération (u ou d), q+ un quark de génération supérieure (s, c et b), on a alors les classes de baryons suivantes :
- Les baryons Delta : qqq → pion + nucléon ; isospin 3/2
- Les baryons Lambda : udq+ ; isospin 0. Le Λo est la première particule découverte contenant un quark s. - Les baryons Sigma : qqq+ ; isospin 1
- Les baryons Xi : q q+ q+ ; isospin ½
- Les baryons Oméga q+ q+ q+ ;isospin 0. Le oméga – est composé de trois quarks s.

Les hypérons. Les baryons tels :Λ, Σ, Ξ et Ω, qui contiennent un ou plusieurs quarks strange, qui ont une durée de vie courte et sont plus massifs que les nucléons, sont appelés hypérons

Les baryons exotiques sont des particules composées de trois quarks et de particules additionnelles (qui peuvent être également des quarks). Les pentaquarks qui auraient été observés par certaines expériences récentes en physique des particules, en font partie. Ces pentaquarks sont constitués de 4 quarks et d’un antiquark. Par exemple, le Θ(1540)+ serait constitué de deux quarks u, de deux quarks d et d’un antiquark . L’existence des pentaquarks est toujours controversée.

Le nombre baryonique noté B : on donne la valeur +1 à chaque baryon (–1 aux antibaryons) et 0 aux mésons. Dans toutes les désintégrations observées, il est conservé ; on dit qu’il y a conservation du nombre baryonique On a par exemple : Λo (B = 1) → p+ (B = 1) + π– (B = 0).

L’étrangeté.

L’instabilité d’une particule se caractérise par son nombre d’étrangeté. La vie moyenne des hadrons (mésons et baryons) est courte. Une durée de 10 E- 23 s est normale. (10 E- 23 s ,c’est environ le temps que met la lumière pour traverser un proton). Dans ce cas, l’étrangeté vaut 0 (le nombre quantique S = 0). Si cette durée est « plus longue », 10 E–10 s par exemple pour Λo, la particule est étrange et on lui attribue une valeur d’étrangeté S = –1. D’autres particules sont « super-étranges » ; leur étrangeté devient S = –2. On a, par exemple, pour Ξ– la valeur S = –2 car Ξ– se désintègre d’abord en Λo + π– avec une vie moyenne de 10 E–10 s et Λe se désintègre ensuite en p+ + π– avec une vie moyenne de 10 E–10 s.

On constate que lorsqu’une particule possède l’étrangeté S = ±1 sa désintégration est lente (vie moyenne de ≈10–10 s), S = ±2 sa désintégration est deux fois plus lente, et S = ±3 sa désintégration est trois fois plus lente. D’autre part :
- la désintégration est très lente lorsque l’on passe d’une famille à une autre ;
- par contre, au sein d’une même famille ou lorsqu’on passe simplement d’un spin 3/2 vers un spin 1/2, la désintégration est rapide.

Pour avoir une liste plus détaillée des différents baryons voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Baryon .

2ème classe :Les mésons (ou hadrons bosoniques)

Ils sont formés d’un quark et d’un antiquark. L’exemple le plus connu est le triplet de pions : π+ ; π - (tous deux de139.6 MeV , de vie moyenne ≈10 E -8s, se désintègrent en π± → μ± + νμ) et πo (135.0 MeV, de vie moyenne ≈10 E–16 s, se désintègre en 2 γ).

La découverte d’autres mésons date de l’après-guerre.
- En 1947, découverte d’une nouvelle particule, neutre, le Λo, instable. Elle a une vie moyenne de 2,6 × 10 E–10 s et se désintègre en Λo → p+ + π–. C’est la première fois que l’on met en évidence une particule qui se désintègre en un proton (stable) : elle est sensible à l’interaction forte. Comme c’est « étrange » : elle participe à l’interaction forte malgré une vie anormalement longue... On parle alors « d’étrangeté » ou de particule étrange (S pour strange).

- Toujours en 1947, on découvre quatre autres mésons (de masse ≈1 000 me), eux aussi « étranges », qui vont par paires : K+ ; K– ;Ko : ce sont les kaons. C’est ensuite la découverte de quatre Δ : Δ++ ; Δ+ ; Δo ;Δ– • En 1953 : Σ+ ;Σo ;Σ– • En 1954 : Ξo ; Ξ– Ces particules sont réellement « vues », dans les chambres à bulles par exemple (du moins celles qui sont chargées électriquement). Et les découvertes continuèrent…

Il serait trop fastidieux d’en dresser la liste ici .Pour avoir une liste de plus détaillée des différents types de mésons , voir : Mésons :http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9son

Le cas intéressant du méson B.

Il existe plusieurs types de mésons B. Voir http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A...

L’accélérateur Fermilab a permis de mettre en évidence un phénomène oscillatoire entre quarks s et anti b qui se transformeraient respectivement en b et anti s par émission et absorption du boson W. Le méson Bo,s se transformerait ainsi en son antiparticule et reviendrait après un court laps de temps à sa nature d’origine. Le problème c’est que cette transformation viole les prévisions de la matrice CKM (voir la deuxième partie).

Pour plus de détails : http://www.futura-sciences.com/fr/n...

Par ailleurs, il a été montré que le taux de désintégrations du méson B est supérieur de 13 % au taux de désintégrations de son antiparticule, ce qui montre expérimentalement un comportement asymétrique entre matière et antimatière. Plus de détails : http://www.in2p3.fr/presse/communiq... (CNRS)

Le document "Interactions fondamentales et particules élémentaires" contient, entre autres, un chapitre sur les différentes classifications qui ont eu lieu historiquement : http://www.jeunesse-et-science.be/s...

3.4 – La dynamique interne des hadrons.

La cohésion interne des hadrons, notamment des nucléons, est assurée par un échange de gluons entre les quarks. Mais nous avons vu dans la deuxième partie, que ces quarks étaient entourés d’une mer ou écran de particules virtuelles : quarks et antiquarks se mêlant aux gluons.

La masse mesurée du proton ou du neutron, n’est pas celle de la somme des masses des quarks nus mais la masse totale incluant la masse de la mer quantique dans laquelle baignent les 3 quarks. Cela explique la raison pour laquelle les évaluations récentes de la masse des trois quarks uud ou udd ne corresponde qu’à un petit pourcentage de la masse du proton ou du neutron et n’est pas de l’ordre de 300MeV correspondant à environ un tiers de la masse du proton, comme on peut le lire dans d’anciennes publications.

D’autre part, un quark et un antiquark virtuels peuvent s’apparier et former un méson pi qui peut devenir boson vecteur s’échangeant avec le nucléon voisin : ainsi se forme le champ de forces nucléaires de Yukawa qui assure la cohésion du noyau atomique. Mais d’autres types de formation de mésons sont concevables : mésons rho, oméga, … Ainsi des mésons se trouvent mêlés à la mer de quarks et de gluons. (voir le dossier : "L’anatomie du neutron". Revue "Pour la science" de juin 2011)

En outre, les quarks constituant le nucléon sont chargés électriquement et un champ de force électromagnétique existe à l’intérieur du nucléon.

Enfin, la force faible, avec émission de boson W, peut intervenir dans la transformation du neutron et réciproquement dans la transformation du proton comme nous l’avons vu avec la radioactivité bêta. Il existe donc des reconfigurations de quarks à l’intérieur du nucléon comme le permet l’échange de gluons. La composition des nucléons, et plus généralement des hadrons, fait donc intervenir des phénomènes plus complexes que ne l’indique la classification précédente (qui figure dans bon nombre de publications sur ce sujet).

Comme le rappelle, à juste titre, l’article précédent sur l’anatomie du neutron, la vision reste encore floue malgré les progrès considérables réalisés ces 30 dernières années. On peut espérer que la validation de la théorie de la grande unification permettra d’y voir plus clair dans cet enchevêtrement d’interactions complexes qui agite cet espace tumultueux qu’est l’ océan quantique.

Hervé Debonrivage

Quelques ressources sur les particules élémentaires

http://david.latapie.name/blog/cart... http://www.jeunesse-et-science.be/s... www.cea.fr/content/download/... http://fr.wikipedia.org/wiki/Partic... http://www2.cnrs.fr/presse/journal/... http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_... http://fr.wikipedia.org/wiki/Partic... http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3...) http://fr.wikipedia.org/wiki/Partic... http://molaire1.perso.sfr.fr/plan.html site pédagogique http://fr.wikipedia.org/wiki/Physiq... http://lappweb.in2p3.fr/archives/co... http://supernovae.in2p3.fr/ hardin/... http://www.phenix.bnl.gov/ raphael/...


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