Vers 1930, la compréhension de la structure fondamentale de la matière semblait complète. Une décennie auparavant, Rutherford avait montré que les atomes avait un noyau relativement petit mais lourd. La mécanique quantique a donné un sens au spectre atomique et aux orbites électroniques. La découverte du neutron permettait d'expliquer les isotopes nucléaires. Les protons, neutrons et électrons fournissaient les blocs constitutifs de toute matière. Quelques inconnues demeuraient pourtant : qu'est ce qui maintenait les protons et les neutrons ensemble pour constituer le noyau ? Quelles forces étaient impliquées dans les désintégrations radioactives des noyaux engendrant les rayonnements alpha, bêta et gamma ?
Pour étudier le noyau et les interactions des neutrons et
protons qui le constituent, les physiciens avaient besoin d'un outil
apte à sonder le noyau. L'accélérateur permet de
sonder de très petites structures en produisant des particules
de grande impulsion et courte longueur d'onde. La longueur d'onde
(
)
d'une onde associée est inversement proportionnelle à
la vitesse d'une particule par la relation (=
h/p) , où p est l'impulsion de la particule (liée à la
vitesse) et h est la constante de Planck.
On étudie les collisions entre des particules de hautes énergies produites dans les accélérateurs. Actuellement, des grands détecteurs à multiples couches entourent le point de collision. Chaque couche du détecteur a une fonction spécifique pour l'identification d'une des nombreuses particules produites lors d'une seule collision.
A la grande surprise des physiciens, les expériences auprès des accélérateurs ont révélé tout un monde de particules : des baryons, particules similaires aux protons et aux neutrons, et une nouvelle famille de particules baptisées mésons. Au début des années 60 une centaine de particules a été identifiée, et on n'a pas encore une image complète des forces d'interactions.
En 1964, deux physiciens - Murray Gell-Mann et George Zweig- ont eu séparément l'idée que les protons, les neutrons et toutes ces nouvelles particules pourraient être expliquées par la présence d'objets plus petits; Gell-Mann les nomma les quarks. Ils pouvaient expliquer tous les baryons et les mésons connus avec seulement trois types de quarks (appelés maintenant up, down et strange) et leurs antiquarks. Le côté révolutionnaire de cette idée résidait dans le fait qu'ils ont assigné aux quarks une charge électrique de 2/3 et de -1/3 en unité de charge du proton : de telles charges n'avaient jamais été observées !
Les antiquarks sont les partenaires d'antimatière des quarks; ils ont la même masse et une charge opposée aux quarks correspondants. Lorsqu'un quark rencontre un antiquark, ils s'annihilent et disparaissent en donnant une forme quelconque d'énergie.
Près de 30 ans et de nombreuses expériences plus tard, l'idée des quarks a été confirmée. Elle fait maintenant partie du Modèle Standard des Particules élémentaires et des Interactions. De nouvelles découvertes ont montré qu'il y avait six types de quarks (dénommés up, down, strange, charm, bottom et top, par ordre croissant de masse). Il y a également 6 types de particules de la même famille que les électrons, appelés les leptons. Le Modèle Standard prend en compte les interactions forte, faible et électromagnétique des quarks et des leptons, et peut ainsi expliquer les liaisons et désintégrations nucléaires.
La raison pour laquelle on n'a jamais pu observer des charges électriques fractionnaires comme celles des quarks réside dans le fait que les quarks ne peuvent être observées séparément : ils existent uniquement à l'intérieur de particules composites appelées hadrons. Il y a deux classes de hadrons : les baryons, contenant 3 quarks, et les mésons, avec un quark et un antiquark. Le tableau des hadrons dans le graphique du Modèle Standard donne quelques exemples de particules connues. Les particules constituées des cinq premiers types de quarks ont été produites et étudiées dans les accélérateurs. Le quark top, si lourd, n'a finalement été découvert qu'en avril 1995 à Fermilab.
A l'opposé des quarks, chacun des 6 leptons peut être observé individuellement. L'électron est le plus connu. Le muon, découvert en 1936, et le tau, en 1975, sont beaucoup plus lourds que l'électron. Les trois autres leptons sont des particules très insaisissables appelées neutrinos, sans charge électrique et avec une masse très faible voire inexistante.
Il y a un type de neutrino pour chaque type de lepton électriquement chargé. Pour chacun des 6 leptons, on trouve un antilepton de masse égale et de charge opposée.
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Connaissant maintenant les éléments de base de la matière, les physiciens se sont interrogés sur ce qui maintenait tout cela ensemble. Toutes les forces sont dues à des interactions sous-jacentes des particules. Les interactions sont de 4 types : gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible. La gravité est la plus familière, mais elle n'est pas incluse dans le Modèle Standard car ses effets sont infimes au niveau des particules et les physiciens n'ont pas encore trouvé le moyen d'incorporer cette force dans le Modèle.
Les forces électromagnétiques nous sont également familières : elles sont responsables de la liaison des électrons avec le noyau formant ainsi les atomes électriquement neutres. Les atomes se combinent pour former des molécules ou des cristaux par les effets électromagnétiques générés par leur sous structure chargée. Toutes les forces quotidiennes, comme le support d'un sol ou la friction, sont dues aux forces électromagnétiques de la matière qui résistent aux déplacements des atomes ou des électrons de leur point d'équilibre dans cette matière.
Dans les processus entre particules, les forces sont décrites en mécanique quantique comme dues à l'échange d'autres particules. Pour chaque type de force, il y a une particule messagère associée. Le photon est la particule messagère de la force électromagnétique; il s'appelle rayonnement gamma dans une transition nucléaire.
Pour des distances bien supérieures à la taille d'un noyau atomique, les deux forces restantes ont des effets mineurs, de telle sorte que nous ne les remarquons jamais dans notre vie quotidienne. Mais l'existence de toutes les choses qui font notre monde dépend de ces deux forces, comme tous les types de matière instable dépendent de processus de désintégration.
La force forte maintient les quarks ensemble pour former les hadrons.
Les particules messagères de l'interaction forte ont
été ironiquement baptisées gluons car elles
collent remarquablement les quarks ensemble. La liaison des protons
et des neutrons pour former un noyau est un effet résiduel de
l'interaction forte dû aux quarks et gluons fortement
interactifs. Les leptons ne subissent pas l'interaction forte.
L'interaction faible est le seul processus durant lequel un quark
peut se transformer en un autre type de quark, ou un lepton en un
autre lepton. Elle est responsable du fait que les quarks et leptons
les plus lourds se désintègrent en quarks et leptons
plus légers. C'est pourquoi toute la matière stable
autour de nous n'est faite que d'électrons et des plus
légers des deux types de quark (up et down). Les particules
messagères de l'interaction faible sont les bosons W et Z. La
désintégration bêta du noyau fut la première
observée dans un processus faible : dans un noyau possédant
suffisamment d'énergie, un neutron se transforme en un proton
en émettant un électron et un antineutrino. Cette
désintégration change le numéro atomique du
noyau. Le rayonnement bêta est le nom donné à
l'électron émis.
Maintenant que nous avons expliqué les rayonnements bêta et gamma, qu'en est-il du rayonnement alpha ? La particule alpha est un noyau d'hélium - un des produits de la fission nucléaire. La fission est la rupture d'un noyau lourd en noyaux plus petits ; elle a lieu lorsque la somme des masses des petits noyaux est inférieure à la masse du noyau d'origine. C'est un effet résiduel de l'interaction forte.
Le Modèle Standard a répondu à beaucoup de questions sur la structure et la stabilité de la matière grâce aux 6 types de quarks, aux 6 types de leptons, et aux 3 types de forces (la gravité n'est pas incluse dans le modèle).
Mais le Modèle Standard laisse beaucoup de questions sans réponse : pourquoi y a-t-il 3 types de quarks et de leptons pour chaque charge ? Pourquoi leurs masses sont-elles si différentes ? D'autres types de forces et de particules seront-ils découverts avec les accélérateurs de demain, qui fourniront des énergies phénoménales aux particules ? Les quarks et les leptons sont-ils réellement les constituants élémentaires, ou bien ont-ils eux aussi des sous-structures ? Comment peut-on inclure l'interaction gravitationnelle dans le modèle ? Quelles particules forment la matière noire de l'univers ?
De telles questions poussent les physiciens des particules à construire de nouveaux accélérateurs plus puissants, pour obtenir des collisions de haute énergie qui pourront fournir des pistes pour répondre à toutes ces réponses.