Particule subatomique - Subatomic particle

Modèle standard de la physique des particules
Particules élémentaires du modèle standard
Fond Physique des particules Modèle standard Théorie quantique des champs Théorie de jauge Brisure spontanée de la symétrie Mécanisme de Higgs
Constituants Interaction électrofaible Chromodynamique quantique Matrice CKM Mathématiques du modèle standard
Limites Problème de CP fort Problème de hiérarchie Oscillations de neutrinos Physique au-delà du modèle standard
Scientifiques Rutherford  · Thomson  · Chadwick  · Bose  · Sudarshan  · Davis Jr.  · Anderson  · Fermi  · Dirac  · Feynman  · Rubbia  · Gell-Mann  · Kendall  · Taylor  · Friedman  · Powell  · PW Anderson  · Glashow  · Iliopoulos  · Maiani  · Meer  · Cowan  · Nambu  · Chamberlain  · Cabibbo  · Schwartz  · Perl  · Majorana  · Weinberg  · Lee  · Ward  · Salam  · Kobayashi  · Maskawa  · Yang  · Yukawa  · 't Hooft  · Veltman  · Gross  · Politzer  · Wilczek  · Cronin  · Fitch  · Vleck  · Higgs  · Englert  · Brout  · Hagen  · Guralnik  · Croquettes  · Santiago Antúnez de Mayolo  · César Lattes
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En sciences physiques , une particule subatomique est une particule plus petite qu'un atome . Selon le modèle standard de la physique des particules , une particule subatomique peut être soit une particule composite , qui est composée d'autres particules (par exemple, un proton , un neutron ou un méson ), ou une particule élémentaire , qui n'est pas composée d'autres particules (par exemple, un électron , un photon ou un muon )). La physique des particules et la physique nucléaire étudient ces particules et leur interaction.

Les expériences montrent que la lumière peut se comporter comme un flux de particules (appelées photons ) et présenter des propriétés ondulatoires. Cela a conduit au concept de dualité onde-particule pour refléter le fait que les particules à l' échelle quantique se comportent à la fois comme des particules et des ondes (elles sont parfois décrites comme des ondes pour refléter cela).

Un autre concept, le principe d'incertitude , stipule que certaines de leurs propriétés prises ensemble, telles que leur position et leur quantité de mouvement simultanées , ne peuvent pas être mesurées exactement. Il a été démontré que la dualité onde-particule s'applique non seulement aux photons, mais aussi aux particules plus massives.

Les interactions de particules dans le cadre de la théorie quantique des champs sont comprises comme la création et l' annihilation de quanta d' interactions fondamentales correspondantes . Cela mélange la physique des particules avec la théorie des champs .

Même parmi les physiciens des particules , la définition exacte d'une particule a des descriptions diverses. Ces tentatives professionnelles de définition d'une particule comprennent :

• Une particule est une fonction d'onde effondrée
• Une particule est une excitation quantique d'un champ
• Une particule est une représentation irréductible du groupe de Poincaré
• Une particule peut être une corde vibrante
• Une particule est une chose que nous mesurons dans un détecteur

Classification

Par composition

Les particules subatomiques sont soit "élémentaires", c'est-à-dire non constituées de plusieurs autres particules, soit "composites" et constituées de plus d'une particule élémentaire liée ensemble.

Les particules élémentaires du modèle standard sont :

• Six " saveurs " de quarks : haut , bas , étrange , charme , bas et haut ;
• Six types de leptons : électron , neutrino électronique , muon , neutrino muonique , tau , neutrino tau ;
• Les bosons de jauge douze (porteurs de force) : le photon de l' électromagnétisme , les trois bosons W et Z de la force faible , et les huit gluons de la force forte ;
• Le boson de Higgs .

Le modèle standard de classification des particules

Tous ces éléments ont maintenant été découverts par des expériences, les plus récentes étant le quark top (1995), le neutrino tau (2000) et le boson de Higgs (2012).

Diverses extensions du modèle standard prédisent l'existence d'une particule élémentaire de graviton et de nombreuses autres particules élémentaires , mais aucune n'a été découverte en 2021.

Hadrons

Presque toutes les particules composites contiennent plusieurs quarks (et/ou antiquarks) liés entre eux par des gluons (à quelques exceptions près sans quarks, comme le positronium et le muonium ). Ceux qui contiennent peu de (≤ 5) [anti]quarks sont appelés hadrons . En raison d'une propriété connue sous le nom de confinement de couleur , les quarks ne sont jamais trouvés seuls mais se produisent toujours dans des hadrons contenant plusieurs quarks. Les hadrons sont divisés par nombre de quarks (y compris les antiquarks) en baryons contenant un nombre impair de quarks (presque toujours 3), dont le proton et le neutron (les deux nucléons ) sont de loin les plus connus ; et les mésons contenant un nombre pair de quarks (presque toujours 2, un quark et un antiquark), dont les pions et les kaons sont les plus connus.

À l'exception du proton et du neutron, tous les autres hadrons sont instables et se désintègrent en d'autres particules en quelques microsecondes ou moins. Un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down , tandis que le neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up. Ceux-ci se lient généralement ensemble dans un noyau atomique, par exemple un noyau d' hélium-4 est composé de deux protons et de deux neutrons. La plupart des hadrons ne vivent pas assez longtemps pour se lier à des composites de type noyau ; ceux qui le font (autres que le proton et le neutron) forment des noyaux exotiques .

Par statistiques

Toute particule subatomique, comme toute particule de l' espace tridimensionnel qui obéit aux lois de la mécanique quantique , peut être soit un boson (de spin entier ) soit un fermion (de spin demi-entier impair).

Dans le modèle standard, tous les fermions élémentaires ont un spin 1/2, et sont divisés en quarks qui portent la charge de couleur et ressentent donc l'interaction forte, et les leptons qui n'en portent pas. Les bosons élémentaires comprennent les bosons de jauge (photon, W et Z, gluons) de spin 1, tandis que le boson de Higgs est la seule particule élémentaire de spin zéro.

Le graviton hypothétique doit théoriquement avoir un spin 2, mais ne fait pas partie du modèle standard. Certaines extensions telles que la supersymétrie prédisent des particules élémentaires supplémentaires de spin 3/2, mais aucune n'a été découverte en 2021.

En raison des lois de spin des particules composites, les baryons (3 quarks) ont un spin 1/2 ou 3/2, et sont donc des fermions ; les mésons (2 quarks) ont un spin entier de 0 ou 1, et sont donc des bosons.

En masse

En relativité restreinte , l' énergie d' une particule au repos est égale à sa masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré , E = mc ² . C'est-à-dire que la masse peut être exprimée en termes d' énergie et vice versa. Si une particule a un référentiel dans lequel elle repose au repos , alors elle a une masse au repos positive et est dite massive .

Toutes les particules composites sont massives. Les baryons (qui signifient « lourds ») ont tendance à avoir une masse plus importante que les mésons (qui signifient « intermédiaires »), qui à leur tour ont tendance à être plus lourds que les leptons (qui signifient « légers »), mais le lepton le plus lourd (la particule tau ) est plus lourd que le deux saveurs les plus légères de baryons ( nucléons ). Il est également certain que toute particule avec une charge électrique est massive.

Lorsqu'ils ont été définis à l'origine dans les années 1950, les termes baryons, mésons et leptons faisaient référence à des masses ; Cependant, après l'acceptation du modèle des quarks dans les années 1970, il a été reconnu que les baryons sont des composés de trois quarks, les mésons sont des composés d'un quark et d'un antiquark, tandis que les leptons sont élémentaires et sont définis comme les fermions élémentaires sans charge de couleur .

Toutes les particules sans masse (particules dont la masse invariante est nulle) sont élémentaires. Ceux-ci incluent le photon et le gluon, bien que ce dernier ne puisse pas être isolé.

Par pourriture

La plupart des particules subatomiques ne sont pas stables. Tous les leptons, ainsi que les baryons se désintègrent soit par la force forte, soit par la force faible (à l'exception du proton). Les protons ne sont pas connus pour se désintégrer , bien qu'on ne sache pas s'ils sont "vraiment" stables, car certaines théories grand unifiées très importantes (GUT) l'exigent réellement. Les muons μ et , ainsi que leurs antiparticules, se désintègrent par la force faible. Les neutrinos (et les antineutrinos) ne se désintègrent pas, mais on pense qu'un phénomène connexe d' oscillations de neutrinos existe même dans le vide. L'électron et son antiparticule, le positron , sont théoriquement stable en raison de la conservation de la charge , sauf si une particule plus légère ayant amplitude de la charge électrique ≤  e existe ( ce qui est peu probable). Sa charge n'est pas encore indiquée

Autres propriétés

Toutes les particules subatomiques observables ont leur charge électrique un multiple entier de la charge élémentaire . Le Modèle standard quarks ont « non entiers » charges électriques, à savoir multiple de 1 / 3  e , mais quarks (et autres combinaisons avec une charge électrique non entier) ne peut pas être isolé en raison de confinement des couleurs . Pour les baryons, les mésons et leurs antiparticules, les charges des quarks constitutifs s'élèvent à un multiple entier de e .

Grâce aux travaux d' Albert Einstein , de Satyendra Nath Bose , de Louis de Broglie et de bien d'autres, la théorie scientifique actuelle soutient que toutes les particules ont également une nature ondulatoire. Cela a été vérifié non seulement pour les particules élémentaires mais aussi pour les particules composées comme les atomes et même les molécules. En fait, selon les formulations traditionnelles de la mécanique quantique non relativiste, la dualité onde-particule s'applique à tous les objets, même macroscopiques ; bien que les propriétés d'onde des objets macroscopiques ne puissent pas être détectées en raison de leurs petites longueurs d'onde.

Les interactions entre les particules sont scrutées depuis des siècles, et quelques lois simples sous-tendent le comportement des particules dans les collisions et les interactions. Les plus fondamentales d'entre elles sont les lois de la conservation de l'énergie et de la conservation de la quantité de mouvement , qui nous permettent de calculer les interactions des particules sur des échelles de grandeur allant des étoiles aux quarks . Ce sont les bases préalables de la mécanique newtonienne , une série d'énoncés et d'équations dans Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publié à l'origine en 1687.

Division d'un atome

L'électron chargé négativement a une masse égale à une / 1837 ou 1836 de celle d'un atome d' hydrogène atomique. Le reste de la masse de l'atome d'hydrogène provient du proton chargé positivement . Le numéro atomique d'un élément est le nombre de protons dans son noyau. Les neutrons sont des particules neutres ayant une masse légèrement supérieure à celle du proton. Différents isotopes d'un même élément contiennent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons. Le nombre de masse d'un isotope est le nombre total de nucléons (neutrons et protons collectivement).

La chimie s'intéresse à la façon dont le partage d'électrons lie les atomes dans des structures telles que les cristaux et les molécules . Les particules subatomiques considérées comme importantes dans la compréhension de la chimie sont l' électron , le proton et le neutron . La physique nucléaire traite de la façon dont les protons et les neutrons s'organisent dans les noyaux. L'étude des particules, atomes et molécules subatomiques, de leur structure et de leurs interactions fait appel à la mécanique quantique . L'analyse des processus qui modifient le nombre et les types de particules requiert la théorie quantique des champs . L'étude des particules subatomiques en soi est appelée physique des particules . Le terme de physique des hautes énergies est presque synonyme de « physique des particules » puisque la création de particules nécessite des énergies élevées : elle n'a lieu que sous l'effet des rayons cosmiques , ou dans les accélérateurs de particules . La phénoménologie des particules systématise les connaissances sur les particules subatomiques obtenues à partir de ces expériences.

Histoire

Le terme « particule subatomique » est en grande partie un rétronyme des années 1960, utilisé pour distinguer un grand nombre de baryons et de mésons (qui comprennent des hadrons ) des particules que l'on pense aujourd'hui vraiment élémentaires . Avant cela, les hadrons étaient généralement classés comme « élémentaires » parce que leur composition était inconnue.

Une liste de découvertes importantes suit :

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Lecteurs généraux

• Feynman, RP et Weinberg, S. (1987). Particules élémentaires et lois de la physique : Les conférences commémoratives de Dirac de 1986 . Université de Cambridge. Presse.
• Brian Greene (1999). L'univers élégant . WW Norton & Compagnie . ISBN 978-0-393-05858-1.
• Oerter, Robert (2006). La théorie de presque tout : le modèle standard, le triomphe méconnu de la physique moderne . Plume.
• Schumm, Bruce A. (2004). Au fond des choses : la beauté à couper le souffle de la physique des particules . Presse de l'Université Johns Hopkins. ISBN  0-8018-7971-X .
• Martinus Veltman (2003). Faits et mystères en physique des particules élémentaires . Scientifique mondial . ISBN 978-981-238-149-1.

Manuels

• Coughlan, GD, JE Dodd et BM Gripaios (2006). Les idées de la physique des particules : une introduction pour les scientifiques , 3e éd. Université de Cambridge. Presse. Un texte de premier cycle pour ceux qui ne se spécialisent pas en physique.
• Griffiths, David J. (1987). Introduction aux particules élémentaires . John Wiley & Fils . ISBN 978-0-471-60386-3.
• Kane, Gordon L. (1987). Physique des particules élémentaire moderne . Livres de Persée . ISBN 978-0-201-11749-3.

Liens externes

• particulesadventure.org : Le modèle standard.
• cpepweb.org : Diagramme de particules.
• Université de Californie : Groupe de données sur les particules.
• Encyclopédie de physique annotée : Théorie des champs quantiques.
• Jose Galvez : Chapitre 1 Électrodynamique (pdf).