//img.uscri.be/pth/0456f684eb0106d1fd6c9d9a168a99332aca9a69
YouScribe est heureux de vous offrir cette publication
Lire

Définition de : ÉLÉMENT, physique

De
7 pages
Article publié par Encyclopaedia Universalis ÉLÉMENT, physique Découvrir les éléments fondamentaux de la matière a toujours été une puissante motivation de la recherche scientifique. La description antique de la nature à partir des quatre éléments (terre, air, eau, feu) dut être profondément e modifiée lorsque les chimistes réussirent, à la fin du xviii siècle, à décomposer l'eau. Des atomes aux particules et à l'antimatière Après diverses propositions, comme celle des trente-trois éléments de Lavoisier, la classification périodique (1869) de Dmitri Mendeleïev range, suivant les valeurs croissantes de leurs poids atomiques, les soixante éléments connus à l'époque dans un tableau qui met en évidence l'évolution périodique de leurs propriétés chimiques. En 1922, Niels Bohr montre que la structure électronique des atomes permet une compréhension physique de cette classification. Les briques fondamentales de la matière semblent alors être l'électron et le proton, rejoints peu après par le neutron, découvert en 1932 par James Chadwick. Il convenait déjà d'ajouter le photon, quantum d'énergie électromagnétique dont les propriétés corpusculaires avaient été mises en évidence dès 1905 par Albert Einstein.
Voir plus Voir moins
ÉLÉMENT, physique

Découvrir les éléments fondamentaux de la matière a toujours été une puissante motivation de la recherche scientifique. La description antique de la nature à partir des quatre éléments (terre, air, eau, feu) dut être profondément modifiée lorsque les chimistes réussirent, à la fin du xviiie siècle, à décomposer l'eau.

Des atomes aux particules et à l'antimatière

Après diverses propositions, comme celle des trente-trois éléments de Lavoisier, la classification périodique (1869) de Dmitri Mendeleïev range, suivant les valeurs croissantes de leurs poids atomiques, les soixante éléments connus à l'époque dans un tableau qui met en évidence l'évolution périodique de leurs propriétés chimiques. En 1922, Niels Bohr montre que la structure électronique des atomes permet une compréhension physique de cette classification. Les briques fondamentales de la matière semblent alors être l'électron et le proton, rejoints peu après par le neutron, découvert en 1932 par James Chadwick. Il convenait déjà d'ajouter le photon, quantum d'énergie électromagnétique dont les propriétés corpusculaires avaient été mises en évidence dès 1905 par Albert Einstein.

Les détecteurs de rayons cosmiques, installés souvent en haut des montagnes, allaient vite permettre d'identifier d'autres particules, qui semblaient toutes aussi élémentaires les unes que les autres : citons le muon (1937), particule semblable sous bien des aspects à l'électron, mais de masse 207 fois plus élevée ; et les mésons π et K (1947), électriquement neutres ou chargés, dont les interactions avec la matière sont bien plus intenses.

La découverte en 1932 du positon, antiparticule de l'électron dont l'existence paraissait nécessaire à la cohérence de la description quantique et relativiste de l'électron, avait inauguré le doublement du nombre des entités élémentaires. L'antiproton et l'antineutron furent effectivement produits et détectés dans des expériences menées à l'aide d'accélérateurs de protons, en 1955 et 1956. Le photon quant à lui se révélait identique à son antiparticule.

Le neutrino, que Wolfgang Pauli avait imaginé en 1930 pour rendre compte de la cinématique des désintégrations radioactives bêta, ne vit son existence expérimentalement attestée que vingt-cinq ans plus tard. En 1962, il était prouvé qu'il existe au moins deux types de neutrinos, l'un associé à l'électron et l'autre au muon (on en a découvert ensuite un troisième type, associé au tauon, qui est lui-même une particule semblable à l'électron, mais trois mille fois plus lourde).

L'élémentarité des particules élémentaires en question

La mise en évidence de nombreuses autres particules abondamment produites lors des collisions de protons ou d'électrons, auxquels des accélérateurs de plus en plus puissants fournissent une énergie de plus en plus élevée, a incité les physiciens à s'interroger sur ce que signifie vraiment le fait de qualifier d'élémentaires les particules. La découverte des quarks comme sous-structure des protons et de toutes les particules soumises aux interactions nucléaires fortes indique que protons et neutrons ne sont pas des composants élémentaires de la matière. Mais les caractéristiques des quarks – et dans une certaine mesure celles des muons ou des neutrinos – montrent que la physique aborde avec eux un niveau radicalement différent d'organisation. On ne peut en effet garder une définition de l'élémentaire issue de la définition antique de l'atome : insécable, impassible et impérissable. Même en laissant de côté le fait que toute particule peut à la suite d'une collision avec son antiparticule s'annihiler en une paire de photons, il faut noter que la plupart d'entre elles sont intrinsèquement instables. Ainsi le muon a-t-il à l'état libre une durée de vie limitée par une désintégration bêta qui le transmute en un électron, transformation accompagnée de l'émission d'un neutrino et d'un antineutrino. Il est important à ce sujet de remarquer que l'électron, le neutrino ou l'antineutrino ne préexistaient pas à l'intérieur du muon initial et donc que ce phénomène de désintégration ne ressemble pas à la dissociation de la molécule d'eau en atomes d'hydrogène et d'oxygène. Il apparaît clairement, par ailleurs, qu'exiger une impassibilité des particules élémentaires ne peut pas être concilié avec la nécessité des interactions qu'elles provoquent ou subissent et sans lesquelles elles ne pourraient ni se lier ni être détectées, et donc mesurées. La propriété d'insécabilité enfin est même sujette à controverse comme le démontre le cas des quarks confinés dans le proton.

Les théories modernes des interactions fondamentales abordent de façon assez différente la notion de l'élémentaire. L'étude des propriétés d'invariance des systèmes physiques soumis à des transformations de nature parfois très abstraite a permis de mettre en évidence le rôle central de la notion de symétrie dans l'édification d'une théorie mathématique des processus élémentaires. La théorie des groupes développée principalement par les mathématiciens du xixe siècle s'est révélée extraordinairement bien adaptée à la description des caractéristiques essentielles des entités matérielles. Ainsi, l'invariance par rapport aux transformations relativistes impose à toute particule d'être déterminée par une masse et un moment cinétique intrinsèque (le spin). De même, l'invariance fondamentale de l'électrodynamique quantique par rapport à certaines transformations (dites de jauge), modifiant les phases des fonctions d'ondes, impose l'existence de la charge électrique et sa conservation globale dans tout processus physique.

La notion d'élémentarité indissociable du concept d'interaction

L'application de ces concepts aux interactions nucléaires fortes ou faibles amène alors à la définition moderne de particule élémentaire, comme entité matérielle correspondant soit à la représentation adjointe, soit à la représentation fondamentale du groupe définissant les propriétés de symétrie des interactions auxquelles elle est soumise. Cette définition un peu difficile rejoint heureusement une compréhension plus intuitive fondée sur le caractère intrinsèquement local d'une interaction entre objets élémentaires, propriété très liée à ce que l'on pourrait appeler la taille de l'objet considéré si ce concept n'était pas entaché d'un certain flou quantique.

Ainsi, selon cette définition, les particules élémentaires se partagent en deux groupes distincts.

– Le premier est celui des bosons ou particules de jauge. Ce sont le photon, les huit gluons et les particules W+, W et Z0. Ils ont un spin égal à h /2π (h est la constante de Planck) et un comportement collectif décrit par les lois statistiques de Bose-Einstein qui favorisent une émission cohérente de particules identiques. La masse du photon est nulle, propriété liée au très grand rayon d'action des interactions électromagnétiques. Celles des bosons W et Z sont de l'ordre de cent fois la masse du proton. La justification théorique de cette masse est malaisée et impose, selon certains modèles, l'existence (non encore vérifiée expérimentalement) d'une autre particule élémentaire, de spin nul, appelée boson de Higgs. Les bosons W et Z sont les vecteurs de l'interaction faible et portent une charge d'isospin faible, charge caractéristique de cette interaction. Ils sont donc responsables des processus de la radioactivité bêta. La masse des gluons semble nulle comme le prédit la théorie, mais sa mesure expérimentale est rendue impossible par une propriété déconcertante, appelée confinement, qui rend impossible leur isolement. Vecteurs de l'interaction nucléaire forte, les gluons sont de huit types différents suivant la valeur d'une charge dite de couleur. Ils sont fortement couplés aux quarks.

– Le second groupe est celui des fermions, parfois abusivement appelés particules de matière (mais les bosons aussi sont matériels !). Ils ont un spin égal à h /4π et leur comportement collectif est décrit par les lois statistiques de Fermi-Dirac qui interdisent la coexistence locale de particules identiques, interdiction appelée principe d'exclusion de Pauli. Ce sont les quarks et les leptons. Il existe six types différents de quarks (notés, dans l'ordre de leurs masses, u, d, s, c, b, t) de charge électrique 2 /3 (u, c, t) ou –1 /3 (d, s, b), en unités de charge du proton. Les quarks sont sensibles à toutes les interactions, et en particulier à l'interaction nucléaire forte, vis-à-vis de laquelle ils portent une charge dite de couleur qui peut prendre trois valeurs différentes. C'est en ce sens qu'on parle de dix-huit sortes de quarks. On associe à chacun d'eux une charge baryonique égale à 1 /3, qui semble conservée dans toutes les interactions. Leurs masses varient de quelques millièmes de la masse du proton (u, d) à plus de cent fois celle-ci pour le quark t. Si le quark u, le plus léger, est stable, les autres se transmutent tous en un quark plus léger par désintégration radioactive. Ce sont, avec les gluons, les constituants essentiels du proton et du neutron. Ils semblent posséder la même propriété de confinement que les gluons. Il existe six types différents de leptons : l'électron, le muon et le tauon de charges électriques égales, et trois types de neutrinos (électronique, muonique, tauonique) sans charge qui leur sont associés. Ils ont tous une charge baryonique et une charge de couleur nulles, ce qui exprime qu'ils sont insensibles aux interactions fortes. Les neutrinos ont des masses très petites, et les leptons chargés ont des masses variant d'un deux millième à presque le double de la masse du proton.

Pour conclure, signalons qu'une théorie quantique de la gravitation imposerait l'existence d'au moins une autre particule élémentaire, un graviton, qui pourrait être de masse nulle et de spin double de celui du photon. Mais une telle théorie n'existe guère que sous la forme d'ébauches peu convaincantes et il est donc préférable de s'en tenir à l'existence de douze bosons (photon, 8 gluons, W+, W et Z0), et de vingt-quatre fermions (6 leptons et 18 quarks) élémentaires accompagnés de leurs vingt-quatre antiparticules.

Auteur: Bernard PIRE