physique des particules

Physique des particules

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Chambre à bulle.

La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules plus grandes dans les accélérateurs de particules.

Le physicien François Vanucci, professeur à l'Université Paris VII définit la physique des particules comme « une physique de l'extrême, noble, qui touche les limites de la connaissance humaine ».

1. Historique

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du VI^e siècle av. J.-C. La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs tels que Leucippe, Démocrite, et Épicure. Bien qu'au XVII^e siècle, Isaac Newton pensait que la matière était composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules.

En 1869, le premier tableau périodique de Dimitri Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalent durant tout le XIX^e siècle que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Joseph John Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Ernest Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.

Au XX^e siècle, les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, culminant avec les preuves de la fission nucléaire et fusion nucléaire, donna naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or.

Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de dispersion. Ceci fut appelé le zoo de particules. Cette expression fut désapprouvée après la formulation du modèle standard dans les années 1970 car le grand nombre de particules put être expliqué comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales.

1.1. Les grandes dates de la physique des particules

• 1873 : James Clerk Maxwell réalise d'importantes recherches dans trois domaines : la vision de la couleur, la théorie moléculaire et la théorie électromagnétique. Les idées soulignant les théories de Maxwell sur l'électromagnétisme décrivent la propagation des ondes lumineuses dans le vide.
• 1874 : George Stoney développe la théorie de l'électron et estime sa masse.
• 1895 : Wilhelm Röntgen découvre les rayons X.
• 1896 : Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium.
• 1898 : Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs. Joseph John Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).
• 1900 : Max Planck suggère que les rayonnements sont quantifiables (ils ne peuvent prendre que des valeurs qui sont des multiples d'une valeur élémentaire appelée quantum).
• 1905 : Albert Einstein, l'un des rares scientifiques qui considéra sérieusement les idées de Planck, propose un quantum de lumière (le photon) qui se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte.
• 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité d'Ernest Rutherford, envoient des particules alpha sur une feuille d'or et observent de grands angles de diffusion, ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense à l'intérieur de l'atome.
• 1911 : Ernest Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Hans Geiger et Ernest Marsden.
• 1913 : Niels Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.
• 1919 : Ernest Rutherford prouve l'existence du proton.
• 1921 : James Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensité (dite forte) maintient le noyau uni.
• 1923 : Arthur Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.
• 1924 : Louis de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour la matière.
• 1925 : Wolfgang Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et H. Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.
• 1926 : Erwin Schrödinger développe la mécanique ondulatoire, qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Max Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique. G.N. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumière.
• 1927 : Découverte de la désintégration β.
• 1928 : Dirac propose son équation d'onde relativiste pour l'électron.
• 1930 : W. Pauli suggère l'existence du neutrino.
• 1930 : Particules élémentaires incluent : - électron, proton, neutron (dans le noyau), neutrino dans la désintégration β, photon, le quantum de champ électromagnétique.
• 1931 : Découverte du positron e⁺ (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.
• 1932 : Découverte du neutron n (James Chadwick).
• 1933/34 : Théorie de Fermi de la désintégration β (interaction faible) : ex. n → p + e⁻ + ^¯ν_e.
• 1935 : Hypothèse de Hideki Yukawa sur les mésons : La force nucléaire est due à l'échange de particules massives, les mésons.
• 1937 : Découverte du lepton μ (muon). Interprété initialement, à tort, comme le méson de Yukawa, le muon s'avère trop « pénétrant ».
• 1938 : Énoncé de la loi de conservation du nombre baryonique.
• 1946/47 : Découverte du méson chargé π±, le pion (Cecil Frank Powell). Le μ est produit par le processus π⁺ → μ⁺ + ν_μ.
• 1946/50 : Théorie quantique de l'électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).
• 1948 : Production artificielle du π⁺.
• 1949 : Découverte du K⁺.
• 1950 : Découverte du pion neutre, π⁰ → γ + γ.
• 1951 : Découverte d'événements en « V » à Brookhaven, New York. Particules K⁰ et Λ ayant une vie moyenne « étrangement » longue et nouveau nombre quantique « l'étrangeté ».
• 1952 : Découverte du Δ (état excité du nucléon).
• 1954 : Yang et Mills proposent les théories de jauge non-abéliennes.
• 1955 : Découverte de l'antiproton ^¯p (Chamberlain et Segrè).
• 1956 : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut générer une violation de P (parité).
• 1956 : Découverte de la violation de P dans les atomes de ⁶⁰Co par Wu et Amber.
• 1960/70 : Découverte de centaines de particules « élémentaires » (ρ, ω, K∗, Δ, Ξ, etc.)
• 1961 : Murray Gell-Mann propose la voie octuple SU(3).
• 1962 : Découverte de ν_μ et ν_e.
• 1964 : Existence des quarks u, d, s proposée (Gell-Mann and Zweig).
• 1964 : Le quark c est suggéré.
• 1964 : Découverte de la violation de CP dans les systèmes K⁰ – ^¯K⁰ par Cronin, Fitch, Christianson et Turlay.
• 1965 : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre.
• 1967 : Sheldon Glashow-Salam-Weinberg proposent l'unification des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l'existence du Higgs.
• 1968-69 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon.
• 1973 : QCD : la théorie des interactions fortes entre particules colorées. Prédiction de l'existence des gluons.
• 1973 : Liberté asymptotique postulée.
• 1974 : Découverte du J/ψ et du quark charmé c, à l'université Stanford et Brookhaven, USA.
• 1976 : Découverte d'un troisième lepton chargé, le τ⁻.
• 1976 : Découverte du D⁰ et confirmation de l'existence du quark c.
• 1978 : Découverte d'un cinquième quark, le bottom b, à Fermilab, USA.
• 1979 : Découverte d'un gluon à Desy, Hambourg.
• 1983 : Découverte du Z⁰ et du W^± au CERN.
• 1990 : Mesure au LEP (CERN) impliquant que le nombre de neutrinos « légers » (m < 45 GeV) est limité à trois.
• 1995 : Découverte d'un sixième quark, le top t, à Fermilab, USA.
• 1998 : Évidence de neutrinos massifs à Super-Kamiokande, Japon.

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Catégorie : Physique des particules

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