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LES FERMIONS
Les quarks
- HISTORIQUE -
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| Murray Gell-Mann (1929 - ...) |
L'idée des quarks fut pour la première fois formulée théoriquement par le physicien Murray Gell-Mann en 1964. Celui-ci, à la vue du nombre important de particules déjà découvertes, formula l'idée judicieuse qu'elles n'étaient pas toutes élementaires. Il imagina alors qu'elles étaient constituées d'autres particules élémentaires celles-ci : les quarks.
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| Richard E. Taylor (1929 - ...) |
Toutefois, les quarks furent pour la première fois observés expérimentalement en 1968. Des physiciens, dont Richard Edward Taylor, prix Nobel de physique en 1990, réalisèrent une expérience proche de celle qui permis en 1909 à Rutherford de découvrir le noyau atomique.
A l'aide d'un accélérateur à électrons, ils bombardèrent des protons d'électrons. Ils observèrent alors que certains électrons étaient lors de cette rencontre fortement déviés (phénomène de diffusion profondément inélastique), les amenant à penser que la charge électrique n'est pas uniformément répartie dans le proton et que le proton contenait des "points durs" identifiés plus tard comme des quarks.
Les particules non-élémentaires constituées de quarks, dont font parti le proton et le neutron, constituent la famille des hadrons.
- PROPRIÉTÉS -
On distingue six sortes de quarks, toutes ont un spin de 1/2, elles diffèrent toutefois par leurs charges électriques, qui ont la particularité d'être des charges fractionnaires de la charge électrique élémentaire (celle de l'électron).
On donnent à ces quarks des noms plus ou moins poétiques tous anglophones :
| Nom du quark | Notation | Charge électrique (en portion de la charge électrique élémentaire) |
|---|---|---|
| Down (bas) | d | -1/3 |
| Up (haut) | u | +2/3 |
| Strange (étrange) | s | -1/3 |
| Charm (charme) | c | +2/3 |
| Bottom/Beauty (beauté) | b | -1/3 |
| Top/Truth (vérité) | t | +2/3 |
Parmi ces quarks seuls les Up et les Down sont stables.
- PARTICULARITÉS -
Outre la charge électrique, les quarks possèdent une autre charge, variable celle-ci, il s'agit de la charge de couleur. Ainsi un quark peut ainsi être rouge, vert ou bleu; cette charge n'a rien à voir avec les couleurs que nous connaissons, il s'agit simplement d'une analogie. Les antiparticules associées aux quarks (ou antiquarks) sont caractérisés par des anti-couleurs (anti-rouge, anti-vert et anti-bleu).
Cette charge de couleur est notamment ce qui les distingue des autres fermions : les leptons, que nous verrons dans le paragraphe suivant.
Il est impossible d'observer un quark seul, en effet ceux ci sont forcément associés à d'autres quarks. Nous ne connaissons à l'heure actuelle que deux combinaisons de quarks (qui sont autant de familles de hadrons) :
- un baryon est toujours composé d'un triplet de quarks (un de chaque couleur);
- un méson est toujours constitué d'un quark et d'un antiquark de couleurs opposées, les mésons sont instables et ont une durée de vie très courte (aux alentours du milliardième de seconde.
Les protons et les neutrons sont les baryons les plus courants dans notre environnement.
- LES HADRONS -
On note généralement les hadrons en regroupant les notations des quarks les composant :
- le proton se note uud
- le neutron se note ddu
- le pion chargé positivement π+ se note u
( est un
antiquark down)
On remarque que la charge d'un hadron se calcule par la sommes des charges des quarks le composant. Ainsi le neutron composé de deux quarks down et d'un quark up a une charge égale à 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0; de même le proton composé d'un quark down et de deux quark up a une charge égale à 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1.
Les leptons
LES FERMIONS Les quarks - HISTORIQUE -
- PROPRIÉTÉS -
- PARTICULARITÉS -
- LES HADRONS -
Les leptons
Le jeu des trois familles
Résumé
Le plus célèbre de tous les leptons est sans conteste l'électron. Toutefois ce n'est pas ce celui-ci dont j'aimerais vous parler, car bien que moins connnu, il est un lepton encore plus présent que l'électron dans l'univers : le neutrino.
Le neutrino a une histoire particulière, son existence n'ayant été postulé au départ que pour combler un manque de la théorie.
En 1930 la radioactivité β posait quelques problèmes à nos physiciens. Pour rappel, la radioactivité β provient de la désintégration d'un neutron en un proton, un électron (ou un positon) et, comme nous le savons maintenant, un neutrino (ou un antineutrino).
La désintégration bêta (radioactivité β).
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| Wolfgang E. Pauli (1900 - 1958) |
En 1930, nous considérions que le rayonnement β n'était constitué que d'électrons (ou de positons), or cela entrait en contradiction avec le principe de conservation de l'énergie (aucune énergie de peut se perdre elle est nécessairement transformée).
Pour résoudre ce problème, Pauli imagina une nouvelle particule : le neutrino. Cette particule devait avoir des propriété suffisamment particulière pour que nous ne l'ayons jamais détectée jusqu'ici; c'est à dire qu'elle devait être de charge nulle et de masse très faible. Pour Pauli lui même, cette proposition n'était qu'un remède déspespéré au problème, il doutait même que l'on puisse la détecter un jour.
De part ses propriétés, il fallut en effet attendre 25 ans pour qu'elle soit mise en évidence pour la première fois. (en 1956 par Clyde Cowan et Frederick Reines).
Le neutrino a ceci de particulier qu'il n'interagit que très faiblement avec la matière, par exemple sur plusieurs milliards de milliards de neutrinos émis vers la terre, seuls quelques un seront arrêtés par celle ci et ne la traverseront pas comme si de rien n'était.
Si cette particularité fait de sa détection un casse-tête, elle fait également de son étude une aubaine pour les astronomes.
L'astronomie peut se définir comme l'étude des objets peuplant notre univers au travers des particules qu'elles nous transmettent. Ainsi les premiers astronomes étudièrent les photons émis par les étoiles à l'oeil nu au travers de leur télescope.
Seulement voilà, beaucoup d'évènements se produisant dans notre univers ne peuvent entrer dans le cadre de cette étude dans la mesure où les photons qu'ils émettent ne nous parviennent simplement pas, car ils sont entretemps abosorbés.
La détection des particules chargées, autre piste éventuelle dans l'étude des évènements est elle aussi loin d'être idéale dans la mesure où elles sont déviées lors de leurs trajets vers nous.
L'étude des neutrinos en astronomie présente donc un double avantage :
- ils interagissent très peu avec la matière, il est donc possible qu'un neutrino émis depuis le cœur d'une étoile nous parvienne sans disparaître, sans n'avoir jamais interagit avec la matière contrairement au photon;
- Deuxièmement le neutrino est une particule neutre électriquement, son trajet n'est donc pas dévié, ne subissant aucune influence des charges qu'il pourrait croiser.
Si théoriquement le neutrino est donc la particule idéale, il reste le problème majeur de sa détection; c'est par exemple le sujet du projet Antares dans le sud de la France.
Le jeu des trois familles
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Les leptons
Le jeu des trois familles
Résumé
Résumé
La physique quantique, et plus particulièrement le modèle standard, a réussi le tour de force de n'utiliser que quatre
particules élementaire pour décrire l'ensemble de la matière nous entourant.
L'électron, les quarks up et down ainsi que
le neutrino, soient les quatres fermions stables, sont effectivement les uniques composant de toutes les matières.
Ca peut paraître difficile à concevoir, mais la matière du feu de votre cheminée, celle de l'eau que vous buvez, celle de votre corps, celle de vos chaussures ou
encore celle de l'air que vous respirez est uniquement de ces quatre particules élementaires...
