Cette publication est accessible gratuitement
Lire

Définition de : PARTICULE, physique

De
6 pages
Article publié par Encyclopaedia Universalis PARTICULE, physique Par définition, une particule est un objet matériel très petit, qu'on a spontanément tendance à considérer comme l'avatar moderne du concept e d'atome tel que l'envisageaient au v siècle avant J.-C. les premiers atomistes grecs, Leucippe et Démocrite notamment. Pourtant, une particule n'est pas un « corpuscule », au sens où elle n'est pas un objet ponctuellement localisé ou qui aurait une forme bien définie. C'est du moins ce qu'indique la physique quantique, qui leur attribue également certaines propriétés des ondes qui, elles, sont toujours délocalisées. De plus, contrairement aux atomes de Démocrite, les particules ne jouissent pas en général d'une authentique permanence, au sens où on pourrait les suivre individuellement et constamment dans l'espace. Elles n'apparaissent qu'ici ou là lors d'une mesure, c'est-à-dire lorsqu'elles sont détectées par un appareil conçu à cet effet. Il n'est donc pas possible, même par la pensée, de leur attribuer dans l'intervalle séparant deux mesures une trajectoire bien définie, c'est-à-dire de les imaginer occupant à chaque instant un lieu précis. Aujourd'hui, les physiciens « des particules » s'intéressent essentiellement aux « particules élémentaires », c'est-à-dire à celles qui n'ont pas de structure interne connue.
Voir plus Voir moins

Vous aimerez aussi

PARTICULE, physique

Par définition, une particule est un objet matériel très petit, qu'on a spontanément tendance à considérer comme l'avatar moderne du concept d'atome tel que l'envisageaient au ve siècle avant J.-C. les premiers atomistes grecs, Leucippe et Démocrite notamment. Pourtant, une particule n'est pas un « corpuscule », au sens où elle n'est pas un objet ponctuellement localisé ou qui aurait une forme bien définie. C'est du moins ce qu'indique la physique quantique, qui leur attribue également certaines propriétés des ondes qui, elles, sont toujours délocalisées. De plus, contrairement aux atomes de Démocrite, les particules ne jouissent pas en général d'une authentique permanence, au sens où on pourrait les suivre individuellement et constamment dans l'espace. Elles n'apparaissent qu'ici ou là lors d'une mesure, c'est-à-dire lorsqu'elles sont détectées par un appareil conçu à cet effet. Il n'est donc pas possible, même par la pensée, de leur attribuer dans l'intervalle séparant deux mesures une trajectoire bien définie, c'est-à-dire de les imaginer occupant à chaque instant un lieu précis.

Aujourd'hui, les physiciens « des particules » s'intéressent essentiellement aux « particules élémentaires », c'est-à-dire à celles qui n'ont pas de structure interne connue. Ils se préoccupent également de leurs interactions mutuelles, qui sont au nombre de quatre : la gravitation, de très loin la moins intense de toutes, l'interaction électromagnétique et deux interactions nucléaires qui n'agissent qu'à l'échelle microscopique. L'une, dite « faible », gère certains processus radioactifs ; l'autre, dite « forte », lie notamment entre eux les protons et les neutrons.

Le modèle standard de la physique des particules

Au cours de la seconde moitié du xxe siècle, les physiciens sont parvenus d'abord à identifier, puis à classifier de très nombreuses particules grâce à nouveaux instruments (accélérateurs et détecteurs). Puis, durant les années 1980, ils ont surtout démontré que l'interaction électromagnétique et l'interaction nucléaire faible, bien que très dissemblables en apparence, n'étaient pas indépendantes l'une de l'autre : dans un passé très lointain de l'Univers, elles ne faisaient qu'une seule et même force, qui s'est par la suite dissociée. Ce résultat illustrait l'aboutissement d'une utilisation très astucieuse du concept de symétrie : on peut déduire la structure d'une interaction entre particules de leurs seules propriétés de symétrie. Tout se passe comme si les transformations, qui laissent les particules invariantes, étaient plus essentielles que les particules elles-mêmes. Dès lors, en identifiant les symétries associées respectivement aux interactions électromagnétique et nucléaire faible, les physiciens devinrent capables de les décrire dans un même cadre mathématique, c'est-à-dire de les « unifier ». Par la suite, cette procédure a pu être étendue à l'interaction nucléaire forte. Le résultat obtenu constitue ce que l'on appelle le « modèle standard », grâce auquel les physiciens sont désormais capables de décrire les comportements des particules à des échelles de distance de l'ordre de 10–18 mètre. Ce modèle s'appuie, d'une part, sur la physique quantique, qui décrit le comportement de la matière à très petite échelle, et, d'autre part, sur la théorie de la relativité d'Einstein, qui rend compte des situations dans lesquelles les vitesses des particules ne sont pas négligeables devant celle de la lumière. Il a été très finement testé, notamment grâce à de gigantesques collisionneurs de particules, jusqu'à des énergies de l'ordre de la centaine de GeV.

Les particules de matière

Selon le modèle standard, les particules de matière considérées comme élémentaires se rangent en deux catégories, les leptons et les quarks, selon les interactions auxquelles elles sont sensibles. Les leptons (trois neutrinos de charge électrique nulle, et l'électron, le muon et le lepton tau de masse et de charge électrique non nulles), à la différence des quarks (notés u, d, s, c, b et t), ne sont pas sensibles à l'interaction nucléaire forte.

À cet ensemble, il faut en ajouter un autre, de structure identique, dans lequel chaque particule est remplacée par son antiparticule, de même masse mais de charge électrique opposée.

Les particules sensibles à l'interaction forte s'appellent les hadrons. Considéré dans les années 1960 comme une particule élémentaire, tout hadron est en fait un assemblage soit de trois quarks (un baryon), soit d'un quark et d'un antiquark (un méson). On connaît aujourd'hui plusieurs centaines de hadrons, qui, laissés à eux-mêmes, se désintègrent très vite en d'autres particules plus légères.

Le modèle standard regroupe les quarks et les leptons en trois familles structurées de façon identique. Chacune d'elle est composée de deux quarks et de deux leptons. En fait, une seule famille (composée de l'électron, de son neutrino, et des deux quarks u et d) est suffisante pour rendre compte de la matière qui nous entoure. Mais un nouvel horizon s'est ouvert pendant les années 1940 et 1950 par la mise en évidence dans les rayons cosmiques de particules d'une deuxième famille (muon et particules dites étranges, ces dernières contenant le quark s), découverte parachevée en 1975 par celle du quark c ; cet horizon fut lui-même élargi par l'observation d'une troisième famille (lepton tau en 1976, quark b en 1977, quark t en 1995).

Les particules d'interaction

Toute interaction entre deux particules de matière provient de l'échange d'une tierce particule, appelée particule d'interaction, de nature différente, et dont la masse est directement reliée à la portée de l'interaction. Dans le cas des interactions électromagnétique et nucléaire faible, ces particules sont respectivement le photon et les trois particules appelées les bosons intermédiaires (W+, W et Z0). Pour l'interaction forte, il s'agit des gluons.

Pour traiter les interactions, le modèle standard s'appuie, comme nous l'avons dit, sur un principe de symétrie (appelé principe d'invariance de jauge). Or ce principe a comme conséquence que les particules d'interaction doivent avoir une masse nulle. C'est effectivement le cas du photon, mais pas celui des particules W+, W et Z0, qui ont des masses très élevées. Cette contradiction a été résolue en invoquant une « brisure spontanée de symétrie » qui serait à l'origine de la masse des particules. Cette dernière aurait agi très tôt dans l'histoire de l'Univers par le biais d'un processus, appelé le mécanisme de Higgs, capable de conférer une masse aux particules W+, W et Z0 qui en étaient initialement dépourvues. Postulé dans le modèle standard, ce mécanisme devrait avoir laissé des traces sous la forme d'au moins une particule additionnelle encore à découvrir : le boson de Higgs, est activement recherché au Fermilab (Chicago) grâce à un collisionneur proton-antiproton (le Tevatron), et à partir de 2007, avec le LHC, le collisionneur de protons du Cern à Genève.

Les particules sont-elles des supercordes ?

Le modèle standard n'est pas la théorie ultime : à très petite distance (c'est-à-dire à très haute énergie), ses principes se télescopent et les équations ne fonctionnent plus. Une nouvelle physique devient donc nécessaire. Elle devra impérativement prendre en compte la gravitation, jusqu'à présent laissée en marge du modèle standard. Comment l'intégrer ? Plusieurs pistes sont à l'étude, notamment celle de la supersymétrie. Cette nouvelle théorie jette un « pont » entre la matière et ses interactions : forces et particules y sont décrites de façon similaire. Mais cette stricte parité n'est possible qu'au prix d'une sorte de dédoublement de la matière : à chacune des particules déjà connues, la supersymétrie associe en effet une particule « partenaire supersymétrique ».

La supersymétrie va ainsi « au-delà » du modèle standard en franchissant une nouvelle étape vers l'unification des forces. Mais comment savoir si elle a bien été « adoptée » par la nature ? Il suffit, répond la théorie, d'accélérer des particules « normales » (par exemple des protons) jusqu'à ce que leur énergie soit si élevée que des particules supersymétriques apparaissent à l'issue de collisions très violentes. La théorie précise que ces particules supersymétriques devraient apparaître par paires, puis que chacune d'elles devrait se désintégrer en une particule ordinaire et une autre particule supersymétrique. Le LHC peut permettre d'observer de tels événements...

Mais de nombreux physiciens pensent aujourd'hui que l'« élargissement » nécessaire du modèle standard ne pourra se faire qu'en modifiant notre représentation des particules, et aussi celle de l'espace et du temps. La théorie des supercordes semble prometteuse. Ses fondements ont été élaborés dans les années 1970 dans le but de bâtir un cadre général capable d'englober la physique quantique et la relativité générale. Ces deux théories semblent en effet conceptuellement incompatibles : les particules quantiques sont décrites dans un espace-temps plat, absolu et rigide, alors que l'espace-temps de la relativité générale est souple et dynamique. Dans la théorie des supercordes, les particules sont représentées par des objets longilignes et sans épaisseur – des supercordes – qui vibrent dans des espace-temps dont le nombre de dimensions est supérieur à quatre. Cette supercorde (ouverte ou refermée sur elle-même) et ses différents modes de vibration correspondent aux différentes particules possibles. Une corde vibrerait selon des harmoniques de plus en plus complexes qui correspondraient à des particules de plus en plus massives. Ces dernières restent à découvrir.

Auteur: ETIENNE KLEIN 2
Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin