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Les particules élémentaires
La physique des particules

"Comment construire un univers
qui ne s'écroule pas deux jours plus tard?"

Philip K. Dick

Au sens large, le terme de particule désigne tout corps microscopique. Il prend également en physique l'acception de corps élémentaire à partir duquel sont construits tous les autres corps, y compris les atomes. On parle alors de particules élémentaires. La matière est constituée de telles particules, mais dans les conceptions actuelles de la physique, les forces qui définissent les interactions entre les particules de matière correspondent aussi à des particules élémentaires particulières, les particules porteuses de forces. Toutes les particules connues, qu'elles soient de matière ou porteuses des forces, possèdent un double, leur antiparticule, de même masse qu'elles, mais qui leur est exactement les opposée sur d'autres points, un peu comme leur reflet inversé dans un miroir.

Particules composites et particules fondamentales.
Certaines particules élémentaires sont indécomposables en entités plus petites. Dépourvues de structure sous-jacente, ces particules sont dites fondamentales et sont considérées comme ponctuelles. Parmi elles, les quarks, les diverses sortes de leptons (électron, muon, tauon et neutrinos) et les particules porteuses des forces (comme le photon, par exemple, porteur de la force électromagnétique). D'autres particules élémentaires, au contraire, possèdent, à l'image des atomes, une sous-structure : elles sont formées, de particules fondamentales (les quarks) fortement liées entre elles par des particules (les gluons) porteuses d'une force particulière, très intense, la force forte : ce sont les particules composites, que l'on appelle aussi hadrons (du grec adros = fort).

• Les particules composites sont constituées de deux ou de trois quarks liés entre eux par la force forte. Les hadrons composés de trois quarks sont appelées baryons (ce mot signifie lourd en grec); ceux qui n'on que deux quarks (en fait un quark et un antiquark) sont appelés mésons (méso = au milieu, en grec, référence à la masse moyenne de ces particules). La taille de particules composites est de l'ordre du fermi (1 fermi = 1 femtomètre = 1 fm = 1×10-15 m), soit quelques centaines de milliers de fois inférieure à celle d'un atome.
Les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons,  qui sont les particules qui constituent le noyau des atomes, sont composés de trois quarks. La charge électrique positive portée par les protons et la neutralité électrique des neutrons résultent de leurs compositions en quarks.
• Autant qu'on puisse le savoir, les quarks, dont il existe six types ou saveurs, n'ont pas de sous-structure :  ce sont des particules fondamentales de matière au même titre que les leptons, dont les électrons et les neutrinos sont des exemples. Les électrons, de charge électrique négative, se rencontrent ordinairement à la périphérie des atomes; les neutrinos dont les premiers indices de l'existence ont été révélés par l'étude de la radioactivité, sont des particules électriquement neutres et n'interagissent que faiblement avec le reste de la matière (ils sont sensibles à une force appelée la force faible). Contrairement aux hadrons, les leptons ne sont pas sensibles à la force forte.

• Les  particules de matière interagissent entre elles selon quatre modalités seulement, correspondant à l'échange entre elles de quatre types de particules porteuses des quatre forces fondamentales. Ces forces, définissant chacune un mode d'interaction, sont, à l'échelle des particules élémentaires, la force nucléaire forte (portée par huit sortes ou saveurs de gluons), la force nucléaire faible (portée par trois particules nommées  bosons intermédiaires ou bosons faibles) et et la force électromagnétique (portée par le photon), auxquelles on ajoute la force gravitationnelle, qui doit être traitée de façon quelque peu distincte, mais que l'on suppose portée elle aussi par une particule, le graviton.

• Les différentes particules porteuses des forces sont appelées bosons de jauge (jauge = mesure, le terme se référant à une classe particulière de théories mathématiques utilisées pour décrire les interactions). On ajoute à cette collection une particule spéciale, le boson de Higgs, considéré comme responsable de la masse des particules. 

Bosons et fermions.
Le terme de boson (du nom de Satyendranath Bose, 1894-1974), utilisé pour qualifier les particules de forces, a une origine statistique et s'applique aussi à certaines particules de matière. Il s'oppose à celui de fermion (du nom de Enrico Fermi, 1901-1954). Le rangement des particules dans la catégorie des bosons ou des fermions dépend de leur comportement collectif, qui lui-même découle de leur spin ( = l'analogue quantique de ce qui, à l'échelle macroscopique, définirait la rotation des particules sur elles-mêmes). Les bosons sont des particules de spin entier (0, 1, 2, ...); lorsque leur spin est demi-entier (1/2, 2/3, ...), on range  les particules dans la catégorie des fermions. 
• Les quarks, les leptons et certains hadrons (les baryons) sont des fermions.

• Les particules porteuses de forces et certains hadrons (les mésons) sont des bosons.

La durée de vie des particules.
Il n'a que très peu de particules stables, c'est-à-dire dont la durée de vie est illimitée (proton, éléctron, photon, neutrinos). En général, les particules se désintègent sponanément , et leur durée de vie est inférieure au cent-millionième de seconde; elle peut même être encore des milliards de fois plus courte. La durée de vie d'une particule dépend en grande partie de la force qui domine les processus dans lesquels cette particule est impliquée.

L'antimatière.
Le monde auquel nous appartenons est composé de particules dites de matière (ou du moins d'un petit sous-ensemble de telles particules, les particules stables), ainsi que des diverses particules responsables des interactions. Mais cela ne représente qu'une moitié de la réalité. Pour chaque particule - qu'elle soit une particule de matière ou une particule porteuse de force -, il existe une antiparticule qui est son double d'une certaine manière. Une particule et son antiparticule sont identiques, sauf pour quelques caractéristiques. 

• L'antiparticule de l'électron (e–), par exemple, est l'antiélectron, positon ou positron (e+) : il a la même masse que l'électron, mais sa charge électrique (et certaines autres propriétés) est de signe opposé. Quelques particules, électriquement neutres, peuvent être leur propre antiparticule. C'est le cas, par exemple du photon (). 
Ce qu'il y a de plus notable à propos des antiparticules, c'est que lorsqu'elles interagissent avec leur particule, elles s'annihilent mutuellement. Leur énergie totale (énergie cinétique + énergie de masse) est convertie en énergie de rayonnement (photons). 

Le zoo des particules élémentaires.
Le tableau suivant, tout incomplet qu'il soit, donne une idée de l'univers dans lequel on s'engage quand on s'intéresse aux particules élémentaires. Le vocabulaire introduit ici et les principes de classification adoptés seront explicités ou approfondis dans la suite de cette page.
 

Particules fondamentales

Particules supposées ponctuelles : 
pas de structure interne.

Fermions
Particules 
de spin demi-entier.
Leptons
insensibles à l'interaction forte.
Electron, muon, tauon et leurs neutrinos associés. Particules de charge électrique négative ou nulle (dans le cas des neutrinos).
Quarks
Constituants des hadrons, sensibles à l'interaction forte.
6 saveurs de quarks (u, d, c, t, s, b)
Particules toujours à l'état lié (par l'interaction forte), et de charge électrique fractionnaire.
Bosons
Particules de spin entier ou nul.
Bosons de jauge
porteurs des forces d'interaction
1 photon (), vecteur de l'interaction électromagnétique.


8 gluons (g), vecteurs de l'interaction forte.

3 bosons intermédiaires (W+, W- et Z0), vecteurs de l'interaction faible.


Graviton, particule hypothétique supposée porteuse de l'interaction gravitationnelle.
Boson scalaire Boson de Higgs, impliqué dans le mécanisme responsable de la masse des particules.
Particules
composites

Particules non ponctuelles et possédant une sous-structure.

Fermions Hadrons
Composés de 2 ou 3 quarks; sensibles à l'interaction forte. On connaît plusieurs centaines de hadrons.
Baryons
Particules composées de trois quarks.
Baryons composés des quarks u et d :

Nucléons: proton (uud), neutron (udd)

Résonances delta+ et delta° (états excités du proton et du neutron), etc.



Hypérons(baryons étranges) : lambda, xi, oméga, sigma, etc.
Bosons Mésons Composés d'un quark et d'un anti-quark. Pions, kaons, éta, J/psi, upsilon, etc.
Sauf indication contraire (et cas des particules qui sont leur propre antiparticule), ce tableau comme les suivants, ne répertorie pas les antiparticules. L'exception ici est le boson W- qui est l'antiparticule du boson W+.

Vers l'unification de la physique.
Au final, un assez petit nombre de composants et de principes fondamentaux s'avère capable de rendre compte de toute la diversité des phénomènes physiques. Quelques centaines de particules élémentaires ont été identifiées, mais une douzaine seulement (auxquelles s'ajoutent leurs antiparticules) sont fondamentales, et il n'existe que quatre forces, responsables de quatre types d'interactions fondamentales. Comme, dans une perspective empirique, une particule est entièrement définie par la connaissance des interactions qu'elle a avec le reste de l'univers, il n'est pas nécessaire d'avoir une théorie pour chaque particule : il suffit de disposer de seulement quatre théories (une pour chaque type d'interaction dans laquelle une particule de matière peut être impliquée). La fusion en une seule théorie de la théorie de l'électromagnétisme et de la théorie de la force faible, qui en fait les deux expressions, à basse énergie, d'une seule force à très haute énergie, réduit aujourd'hui à trois le nombre de théories fondamentales nécessaires. Les physiciens pensent cependant qu'ils peuvent aller encore plus loin, et qu'ils pourront, à terme, rendre compte de tous les phénomènes physiques dans le cadre d'une unique théorie. Ils visent donc ce qu'ils appellent l'unification de la physique.

La physique des particules se déploie aujourd'hui dans un cadre général, appelé la théorie quantique des champs, et dont le socle est constitué par la théorie des quanta (physique quantique) et la relativité restreinte. Un des premiers résultats de la théorie quantique des champs a été comprendre les mécanismes à travers lesquels les particules interagissent au travers de l'échange de particules de porteuses de forces. Cela a donné naissance à un nouveau cadre formel dans lequel peuvent s'inscrire  les interactions, et que l'on appelle les théories de jauge. A l'heure actuelle, l'électromagnétisme est décrit par une telle théorie, l'électrodynamique quantique. Celle-ci, réunie à la théorie de la force faible, dessine une autre théorie de jauge, la théorie électrofaible. Et un même cadre a été produit pour expliquer l'interaction forte qui soude entre eux les quarks (et secondairement les particules composées de quarks), c'est la chromodynamique quantique. Seule la théorie de la gravitation reste rétive à ce type d'approche.

La théorie électrofaible et la chromodynamique quantique, qui malgré leurs ressemblances, sont deux théories distinctes, forment ce que les physiciens appellent le modèle standard des particules. Celui-ci réussit très bien et est largement accepté. Mais il n'est pas complètement satisfaisant (par exemple, la valeur de quelques paramètres sur lequel il repose n'est pas expliquée par la théorie et doit être déterminée expérimentalement). Aussi les physiciens espèrent-ils être capables de réunir la théorie électrofaible et la chromodynamique quantique en une théorie unique, appelée théorie de grande unification,. Une étape ultérieure serait l'unification de cette théorie et de la théorie de la gravitation. Elle est envisageable dans le cadre de nouvelles théories, pour l'heure hautement spéculatives, les théories des cordes et supercordes, qui renoncent à envisager les particules fondamentales comme des objets ponctuels, mais y voient plutôt des objets linéaires (cordes, supercordes) microscopiques.

Les règles du jeu

Avant de dire les principales règles qui organisent le monde des particules, un mot des deux piliers sur les sur lequel la physique des particules repose. 

La physique quantique.
Le premier, c'est la physique du monde microscopique, autrement la physique quantique. La théorie quantique a été intiée dès 1900 par Max Planck (1858-1947). Elle permet de comprendre les règles très inhabituelles qui régissent le monde ultramicroscopique et se fonde sur l'idée qu'à cette échelle un objet doit être décrit soit comme une onde, soit comme un  corpsucule. Les deux descriptions ne pouvant être utilisées simultanément.

• Lorsqu'on parle de particule, on n'a souvent en tête qu'un versant de ce qu'est un objet quantique, le corpuscule (lorsque, par exemple on dit que le proton a un diamètre de 0,833 fm, on ne peut pas échaper à l'image mentale d'une sphère microscopique, alors même qu'il y a derrière cette mesure des concepts qui ne sont pas d'une appréhension aussi immédiate); mais l'autre versant doit être considéré à égalité-: l'onde. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, chaque particule est associée à un champ, qui lui-même absorbe ces deux aspects :  l'onde est une perturbation du champ; le corpuscule est un quantum de ce champ. 

• Quant à savoir si une particule (ou le champ qui lui est associé) peut être abordée sous l'aspect ondulatoire ou corspusculaire, cela dépend de ce que l'on veut connaître à son sujet ou à propos du phénomène étudié. On dit quelquefois qu'une particule se propage comme une onde et interagit comme un corpuscule. Par exemple, le photon (la « particule de lumière »), est décrit comme une onde ( = perturbation du champ électromagnétique) lorsqu'on étudie étudie le phénomène d'interférences, et comme corspuscule  ( = quantum du champ électromagnétique) lorsqu'on s'intéresse à  l'effet photo-électrique. 

Puisque la description corpusculaire et la description ondulatoire sont incompatibles, lorsqu'on étudie les aspects ondulatoires d'un phénomène, on est obligé d'en laisser de côté les aspects corpusculaires, et vice-versa. Tout ce qui caractérise un phénomène n'est donc pas accessible à un instant donné. La connaissance incomplète du phénomène étudié revêt ainsi un caractère nécessairement probabiliste. C'est à quoi ce réfère le principe d'incertitude de Heisenberg (1901-1976) : les relations d'incertitude Heisenberg permettent cependant d'encadrer à l'intérieur de certaines limites la part d'inconnu.

La relativité restreinte.
La théorie de la relativité restreinte, produite en 1905 par Albert Einstein (1879-1955)  est le second pilier sur lequel repose la physique des particules. En postulant l'existence une vitesse limite c (couramment appelée la  «  vitesse de la lumière dans le vide  ») pour la propagation des phénomènes physiques, cette théorie a mis à bas la conception newtonienne de l'espace du temps absolus, qui ont été remplacés par un nouvel absolu, l'espace-temps. La physique qu'elle fonde, la physique relativiste, a ainsi considérablement enrichi la physique des particules. La notion d'antimatière, par exemple, est directement issue d'une réécriture de la physique quantique en des termes relativistes. Mais ce n'est là qu'une conséquence du résultat le plus connu de la théorie de la relativité, l'équivalence de la masse m et de l'énergie E, que résume la formule E = mc². Cette équivalence s'exprime partout dans la physique des particules et c'est le concept qu'on va peut-être manipuler le plus, implicitement ou explicitement, au fil des pragraphes qui suivent.

Comme une poignée d'autres particules, le photon n'a pas de masse, mais il transporte une énergie et toutes les particules possèdent une énergie. Dans le cas des particules qui ont une masse au repos, une part de l'énergie qu'elles transportent peut se manifester au travers de cette cette masse et une autre part sous d'autres formes (énergie cinétique, notamment). La  masse n'est pas une forme d'énergie (équivalence ne signifie pas identité), mais elle ne peut pas pas non plus être réduite simplement à lune certaine «-quantité de matière », comme la définissait Isaac Newton (1643-1727). C'est quelque chose entre les deux : un des deux termes de la notion de masse-énergie. (On pourrait faire une observation analogue à propos de la notion d'espace-temps, qui n'identifie pas les deux termes, mais les lie indissolublement).

D'une manière générale, les processus dans lesquels sont engagées les particules (production, destruction, interactions diverses) permettent à l'énergie de se manifester sous ses différentes formes ou comme masse. Pour produire une particule de masse m, il faut disposer d'une énergie E d'au moins mc². (Et en pratique souvent bien supérieure)

• Les masses des particules s'expriment normalement en MeV/c² ou en Gev/c². Mais l'équivalence masse-énergie explique qu'on utilise ordinairement (même si c'est abusivement) comme unités de masse les seules unités d'énergie : le MeV (méga-électronvolts) ou le Gev (giga-électronvolts). 1 MeV = 106 eV = 1,602  × 10-13 joules; 1 GeV = 109; eV = 1,602 × 10-10 joules. 
Les accélérateurs de particules

L'étude des particules élémentaires exige de disposer de très hautes énergies. L'une des raisons en est, qu'en vertu de l'équivalence masse-énergie, on ne peut provoquer la création de particules massives que dans le cadre de processus impliquant une énergie suffisante. L'autre raison tient au caractère ondulatoire des particules : pour sonder des distances très petites, il est nécessaire que la longueur de l'onde associée à la particule utilisée à cet usage soit le plus courte possible, autrement dit le plus énergétique possible (le microscope électronique, par exemple, fonctionne sur ce principe). Les termes physique des particules et physique des hautes énergies sont synonymes.

Les physiciens ont ainsi commencé à utiliser les collisions entre les rayons cosmiques (particules ultra-énergétiques, venues de l'espace et frappant la Terre) et des noyaux atomiques servant de cibles. Quelques avancées majeures ont été réalisés par ce moyen, comme la découverte des muons ou celles des pions. Mais les technologies développées lors de la mise au point de la bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale ont permis ensuite à la recherche civile de disposer d'accélérateurs de particules, qui ont progressivement supplanté l'usage des rayons cosmiques à partir des années 1950.

Le principe de ces appareils est de provoquer des collisions de particules cibles avec des particules chargées électriquement et accélérées jusqu'à de très hautes vitesses. 

• Les accélérateurs linéaires accélèrent les particules le long d'une ligne droite en les soumettant tout au long de leur parcours à une tension accélératrice.

• Les cyclotrons et leurs successeurs (les cyclosynchrotrons et les synchrotons), plus efficaces pour obtenir des énergies élevées, accélèrent également les particules en les soumettant à une déifférence de potentiel, et les maintiennent par ailleurs sur une trajectroire circulaire grâce à une champ magnétique.

• Dans les collisionneurs, au lieu de provoquer les collisions par le bombardement d'une cible immobile par un faisceau de particules accélerées, on provoque la collision frontale de deux faisceaux de particules de masses et d'énergies cinétiques égales se déplaçant en sens opposé. Comme la quantité de mouvement totale des particules au point d'impact est égale à zéro, toute leur énergie cinétique est disponible pour la réaction. 

C'est parmi les collisionneurs que se rencontre aujourd'hui lesaccélérateurs les plus puissants.Citons le le grand collisionneur  circulaire (d'un diamètre de 27 km) électron-positon (LEP) du CERN, qui a fonctionné entre 1989 et 2000, et le collisionneur linéaire de Stanford  (long de 3,2 km) utilisant la collision à la fois des électrons et des positons. Le CERN a achevé en 2007 la construction du Large Hadron Collider (LHC), un collisionneur proton-proton capable de fournir une énergie au centre de masse de 14 TeV (cet accélérateur est construit dans le circonférence du tunnel qui contenait le LEP).  Après le LHC, l'accélérateur de protons le plus énergétique au monde est le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven qui est utilisé pour provoquer la collision d'ions lourds. 

Parallèlement, les techniques de détection ont évolué devenant elles aussi de plus en plus complexes. On s'en tiendra ici à mentionner les différentes chambres à ionisation (chambre à bulles, chambres à brouillard, etc.). Leur principe est le suivant : le passage d'une particule chargée électriquement y provoque l'ionisation des atomes enfermés dans leur enceinte; cette ionisation est ensuite à l'origine de divers processus visibles à l'échelle macroscopique qui révèlent la trajectoire de la particule (la masse, la durée de vie, le signe de sa charge, etc., peuvent en être déduits). Les particules qui ne sont pas chargées électriquement ne sont pas visibles, mais, grâce aux lois de conservation, on peut déduire leur existence et leurs propriétés à partir de de celles des autres particules intervenant dans le processus étudié. 

Etre et disparaître.
Un petit nombre de particules sont stables. Elles durent indéfiniment à moins d'avoir une interaction avec une autre particule. Les photons, particules dépourvues de masse, font partie des particules stables. Il en est de même du proton et de l'électron, qui sont des constituants de l'atome. Le neutron est stable lorsqu'il est lié à une autre particule du noyau atomique (à un proton ou à des protons et d'autres neutrons); isolé, ill se désintègre en environ un quart d'heure. Le neutron est une exception. La plupart des autres particules instables (l'immense majorité) se désintègrent dans des temps excessivement brefs (de l'ordre de 10-6 s à 10-23 s).

La notion de durée de vie  d'une particule a une valeur statistique; elle correspond à une moyenne de son temps d'existence. Les durées de vie des particules sont en relation avec la principale force à l'oeuvre dans le processus dans lequel la particule est impliquée. 

• Lorsque des particules se désintègrent en engageant l'interaction nucléaire faible, elles ont des durées de vie qui sont souvent comprise entre 10-6 et 10-13 secondes. La désintégration du neutron, avec sa durée de vie exceptionnellement longue, implique aussi l'interaction faible : en ce désintégrant, le neutron (n) fait apparaître un proton (p), un électron (e– et un antineutrino ( ). Ces deux dernières particules sont des leptons : la création de leptons est un indice important de l'intervention de la force faible, qui s'ajoute à ce que suggère la relative lenteur des processus que cette force génère.

• Les particules se désintégrant  via l'interaction électromagnétique (plus intense que l'interaction faible) ont des durées de vie beaucoup plus courtes, généralement d'environ 10-16 à 10-19 s, et impliquent la plupart du temps au moins un photon ().

• Quant aux particules qui se désintègrent sous l'effet de l'interaction nucléaire forte, elles ont des durées de vie souvent encore plus courtes, pouvant descendre au dessous de 10-20 s, voire 10-23 s (cas des résonances). Ce temps peut être plus long, dans le cas de la désintégration de noyaux atomiques. Ainsi la désintégration du noyau de bérylium-8 (8Be) en deux particules alpha (), autrement dit en deux noyaux d'hélium (4He), est-il un exemple de processus impliquant l'interaction forte. Il confère au bérylium-8 une durée de vie de10-16 s. On peut noter qu'aucun lepton n'est créé dans un tel processus. 
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Les résonances

On connaît des particules dont les durées  de vie sont de l'ordre de 10-23 s. C'est un intervalle de temps trop court pour qu'elles puissent être détectées directement, mais on déduit leur intervention dans le processus étudié à partir de l'observation des particules produites par leur désintégration.

Les particules dont la vie est si courte, sont interprétés comme des états excités d'autres particules (on parle dans ce cas de résonances), qui reviennent à leur état fondamental sous l'effet de l'interaction forte.

C'est Enrico Fermi qui a découverte la première particule de ce type. Le physicien utilisait le bombardement à diverses énergies de protons par un faiseau de pions positifs (+), et constata un grand nombre d'interactions autour de 200 MeV. Il en déduisit que les pions et les protons devaient se combiner brièvement  pour former une particule éphémère avant de se séparer à nouveau, ou devaient du moins de résonner ensemble pendant une courte période. 

Cette nouvelle entité, qui peut être vue comme une particule composite (baryon) d'un type spécial, est désormais connue sous le nom de particule . Des centaines d'autres résonances du même genre (états excités de particules de masse inférieure) ont été identifiées depuis. 

La désintégration spontanée est une des modalité par lesquelles les particules peuvent disparaître. On a vu plus haut que les particules peuvent disparaître aussi selon un autre processus, l'annihilation d'une paire particule-antiparticule. Ici, on a affaire à un cas particulier de collision, mais toutes les collisions en général, à condition que l'énergie en jeu soit suffisante, peuvent aboutir à disparition de la ou les particules impliquées. 

Les lois de conservation auxquelles sont soumises les particules font que si une particule disparaît d'autres particules sont alors créées. Les trois forces fondamentales agissant à l'échelle des particules, encadrées par ces lois de conservation, sont la clé de l'apparition ( = création) des particules, de leur disparition ( = annihilation) et des phénomènes qui peuvent les affecter entre ces deux extrêmes. 

• Dans le phénomène de diffusion deux particules sont sensibles à leur présence mutuelle (effet de la force qui s'exerce entre elles), mais seules leur masse-énergie et leur quantité de mouvement  (modification de leur trajectoire) sont affectées par l'interaction.
Les lois de conservation.
Parmi les lois de conservation, certaines sont bien connues à notre échelle. Telles sont, par exemple, la conservation de l'énergie, de l'impulsion ( = quantité de mouvement), du moment cinétique, etc. Ces lois restent impérieuses à l'échelle des particules. D'autres lois, de caractère quantique doivent aussi être ajoutées. Les plus communes sont sans doute la loi de conservation du spin et celle de conservation de la charge électrique. Ainsi, par exemple, lorsqu'une particule porteuse d'une charge électrique positive - disons un proton - disparaît, la charge, elle, ne disparaît pas. Or une charge suspendue dans le vide, ça n'existe pas (par définition, une propriété est toujours la propriété de quelque chose...) : il faut qu'elle soit attachée à une nouvelle particule qui succède d'une manière ou d'une autre au proton. La disparition d'une particule s'accompagne donc toujours de l'apparition d'une ou de plusieurs autres particules, qui ensemble pourront endosser des propriétés à conserver de la particule disparue. On va voir que la conservation d'autres quantités attachées aux particules élémentaires permettent de préciser encore davantage les règles du jeu et de prédire, jusqu'à un certain point, quelles seront les particules produites, et en tout cas d'écarter les processus qui ne peuvent absolument pas avoir lieu.

Les processus dans lesquels sont engagées les particules élémentaires peuvent se noter selon des conventions analogues à celles que l'on utilise pour écrire les réactions chimiques. Ainsi, l'annihilation de d'une paire électron-position lors d'une collision pourra s'écrire : e– + e 2. On voit que dans ce processus la charge électrique est conservée; la conservation de l'énergie est assurée par l'existence des photons  (capables de transporter au moins une énergie équivalente à la masse de l'électron et du positon).

La désintégration du neutron (n), quant à elle produit un proton (p), un électron (e–) et un antineutrino électronique () selon le schéma p + e– (désintégration). Des conclusions similaires peuvent être faites : la neutralité électrique du neutron se retrouve dans celle des produits (l'antineutrino est neutre, et la charge positive du proton est annulée par la charge négative de l'électron). A ce stade on pourraît aussi invoquer la loi de conservation de l'énergie et dire que l'antineutrino est utile pour transporter sous forme d'énergie cinétique le petit surplus d'énergie de masse qui apparaît à la fin du processus. Mais cela n'expliquerait pas tout. D'autres lois de conservation sont à l'oeuvre, comme celle qui veut qu'on ait autant de baryons avant et après le processus (on dit que le nombre baryonique est conservé), ou celle encore qui veut qu'un nombre associé aux leptons soit le même lui aussi avant et après : selon cette règle, le neutron compte pour 0,  l'électron compte pour +1 et un neutrino électronique aurait aussi été compté pour +1, mais on a affaire ici à un antineutrino qui compté pour -1. La somme des quantités associées aux leptons  (nombre leptonique électronique)  est donc nulle à l'arrivée, comme elle l'était au départ. (On peut vérifier que le spin est également conservé : 1/2 = 1/2 + 1/2 - 1/2). Certaines autres propriété existent, qui se conservent quand intervient la force forte, mais pas quand le processus et commandé par la force faible. On reviendra sur ces points de façon plus détaillée dans la suite de cette page.

Les forces en présence

Le mécanisme de Yukawa.
Champs et particules de champ.
Les physiciens se préoccupent depuis longtemps de la manière dont les forces sont transmises à distance (un des principaux reproches faits par les Cartésiens à la loi de l'attraction universelle de Newton relevait de ce questionnement). Le concept de champ de forces, sans apporter de réponse véritable à la question permet de la reformuler. Un tel champ, au sens de la physique classique, est une entité s'étendant dans l'espace à partir d'un point défini comme sa source, et qui permet de déduire en chaque point de l'espace la valeur de la force exercée par cette source. Or, avec  les concepts physiques qui ont vu le jour dans les premières décennies du XXe siècle, il est apparu qu'une particule pouvait aussi être représentée par un champ. D'où l'hypothèse raisonnable  qu'un champ de force d'un type particulier pouvait aussi se voir associer une particule d'un type qui soit propre à ce champ. C'est bien l'idée que se font aujourd'hui les physiciens pour qui les forces fondamentales sont portées par des particules spécifiques. Encore a-t-il fallu, aussi dire par quel mécanisme l'action de la force pouvait se faire sentir.

L'énigme de la force forte.
L'explication est venue quand il a fallu comprendre la nature de la force responsable de la cohésion des noyaux atomiques. Au début des années 1930, les physiciens avaient une conception simple de la structure de la matière et personne ne pouvait répondre  à la question suivante : puisque dans le noyau atomique les protons se repoussent fortement du fait de leurs charges électriques de même signe, quelle est la nature de la force qui maintient le noyau uni? Cette force inconnue devait être beaucoup plus forte que tout ce que l'on connaissait jusque-là, et elle ne devait s'exercer que sur de très petites distances, car sinon on l'aurait déjà identifiée. La nature de cette force, qui a gardé le nom de force nucléaire forte, a été élucidée (au moins partiellement)  grâce à la théorie proposée en 1935 par Hideki Yukawa (1907-1981), qui recevra le prix Nobel pour cette avancée en 1949.

La particule de Yukawa.
Selon Yukawa, la force forte devait pouvoir être dérivée d'un champ particulier associé à une particule à très courte durée de vie, si courte que la force ne pouvait alors avoir le temps de se propager très loin. La briéveté de la durée de vie de la particule porteuse expliquait ainsi naturellement la courte portée de la force forte; elle signifiait également que la nouvelle particule, pour pouvoir se désintégrer et disparaître ainsi, devait avoir une masse. (Une particule sans masse, comme le photon, par exemple, ne peut se désintégrer spontanément en autre chose, et peut donc parcourir une distance indéfiniment grande, donnant ainsi une portée indéfiniment grande à la force électromagnétique). Sur ces bases, Yukawa pouvait même calculer approximativement la masse que devait avoir la nouvelle particule pour répondre aux conditions du problème. Cette masse, estimée à environ 200 fois celle de l'électron, se situait donc entre celles du proton et du neutron et celle de l'électron, et la particule de Yukawa, effectivement découverte par la suite, est aujourd'hui connue sous le nom de pion ou de méson .

Pour Yukawa, si un proton ressentait la force qu'exerçait sur lui un autre proton, c'était que celui-ci lui adressait une de ces particules nouvelles, un de ces pions. La force s'exerçant dans les deux sens, des pions devaient aussi aller dans le sens opposé, et, au final, le mécanisme expliquant  la force forte (et partant toutes les autres forces s'exerçant entre particules) devait être vu comme un échange de particules porteuses de force. Restait un problème : comment ces particules pouvaient-elle apparaître et disparaître sans violer, dans l'intervalle, quelques lois impérieuses de la nature, à commencer par la loi de conservation de l'énergie?

La solution apportée par Yukawa et toujours acceptée aujourd'hui repose sur une notion clé de la physique, le principe d'incertitude d'Heisenberg. 
-
Violation de la loi de conservation de l'énergie.
La dualité onde-corpuscule, concept omniprésent à l'échelle quantique, empêche que certaines quantité soient déterminées simultanément avec la même précision. C'est-ce qu'expriment les relations d'incertitude de Heisenberg. On peut déduire de l'une de ces relations que la loi de conservation de la masse-énergie peut être violée d'une quantité  pendant un temps . Au cours de cet intervalle de temps aucun processus ne peut détecter la violation. Cela permet la création temporaire d'une particule de masse m, (m = /c² ). Plus la masse est grande (et plus le  est grand), plus la durée de vie de la particule doit être courte. Cela signifie que la portée de la force est limitée, car la particule ne peut parcourir qu'une distance limitée dans un laps de temps limité (le maximum la distance est alors c, où c est la vitesse de la lumière). Le pion émis par un proton doit être capturé par un autreproton avant d'atteindre cette limite. Par conséquent, il ne peut pas être directement observé ( cela équivaudrait à une violation permanente de la conservation de l'énergie de masse). 

De telles particules (comme le pion ci-dessus) sont appelées particules virtuelles, car elles ne peuvent  pas être directement observés. Leurs effets, en revanche,  sont bien réels. 

La découverte de la particule de Yukawa.
Dès 1936, une nouvelle particule, d'une masse d'environ 106 Mev/c², a été soupçonnée d'être la particule prédite par Yukawa. Mais il s'est bientôt avéré que cette particule n'était pas sensible à la force forte et ne pouvait donc pas jouer le rôle attendu. Il s'agissait du muon, une version plus massive de l'électron. La particule de  Yukawa a finalement été découverte en 1947, par Carl Anderson en étudiant les collisions entre les rayons cosmiques avec des noyaux atomiques terrestres.

Il est cependant apparu plus tard que la particule de Yukawa,  le pion (un méson), n'est pas véritablement la particule médiatrice de l'interaction forte, entendue comme interaction fondamentale. Cela tient à ce que les pions comme les protons ou les neutrons sont des particules composites, et la force qui réunit entre eux les nucléons n'est qu'un effet résiduel de la véritable force forte qui agit, elle, entre les composants des nucléons et des mésons, c'est-à-dire entre les quarks. Cette particule fondamentale médiatrice de la force forte est le gluon. Il en existe huit variétés ou saveurs. 

S'il y avait eu méprise sur l'identité du médiateur, le mécanisme invoqué par Yukawa n'en restait pas moins valable. Il est toujours pertinent pour expliquer les forces fondamentales : elles sont toutes transmises par l'échange d'une particule porteuse (un boson), exactement. comme ce que Yukawa avait en tête pour la force nucléaire forte. Chaque particule porteuse est une particule virtuelle - elle ne peut pas être observée directement. On dit ainsi que les photons (virtuels) «-transportent » la force entre les particules chargées électriquement; de même, l'attraction entre deux quarks dans une particule composite se produit lorsque deux quarks échangent des gluons. Et l'on pourrait dire une chose similaire à propos des bosons W et Z, qui transportent une force nucléaire faible. 

Les théories de jauge.
La première théorie complète basée sur ces idées est celle de l'électromagnétisme (électrodynamique quantique ou théorie quantique des champs électromagnétiques) élaborée par Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979), Julian Schwinger (1918-1994) et Richard Feynman (1918-1988) dans les années 1940. L'électrodynamique quantique et les autres théories des interactions quantiques reposent d'un point de vue mathématique sur des propriétés d'invariance (appelées invariance de jauge ou symétrie de jauge) de certaines quantités sous l'effet de transformations particulières que l'on fait subir aux équations. Ces invariances sont l'expression mathématique des lois de conservation qui verrouillent les phénomènes physiques. On donne le nom théories de jauge à ces approches. Les bosons porteurs des forces décrites par ces théories ont reçu pour la même raison le nom de bosons de jauge (on dit aussi particules de champ ou encore particules d'échange). 

A ce jour, seules les théories de l'électromagnétisme, de la force faible et de la force forte entrent véritablement dans ce cadre. Les tentatives pour exprimer la gravitation dans le cadre d'une théorie de jauge (gravitation quantique) se sont heurtées à des problèmes insurmontables (irruptions  intempestives de quantités infinies). Une particule hypothétique, dépourvue de masse, le graviton, est toutefois postulée pour expliquer cette force. 

Forces fondamentales et bosons de jauge

 Théorie
Interaction
(force)
Intensité relative
Portée
(m)
Particules porteuses
Nom Masse au repos (MeV/c²) Durée de vie (s)
Chromodynamique 
quantique
Forte 1 < 10-15 Gluons 0
Théorie électrofaible Electro-
dynamique quantique
Electro-
magnétique
10-2 Photon 0
- Faible 10-13 < 10-18 W± 80,39 x 103 1,6x10-25
91,19 x 103 1,32x10-25
Gravitation quantique Gravitation 10-38 Graviton 0
Ces particules sont de spin égal à 1, sauf le graviton, particule hypothétique,
qui devrait avoir un spin égal à 2.

L'antimatière

Particules et antiparticules.
Dans les années 1920, Paul Dirac (1902-1984) a été le premier à développer une approche de la physique quantique qui intégrait les principes de la relativité restreinte. En 1928, il donnaît ainsi un théorie complète de l'électron relativiste qui expliquait l'origine de son spin et de son moment magnétique. Cette théorie jetait les bases de l'électrodynamique quantique, qui est la théorie actellement admise de l'électromagnétisme. Elle avait aussi un versant inattendu : l'équation relativiste décrivant l'électron admettait aussi des solutions correspondant à une particule identique mais de charge positive. Dans un premier temps, Dirac a cru pouvoir l'identifier au proton, mais bientôt, notamment grâce à la contribution de Robert Oppenheimer (1904-1967), il a été en mesure d' affirmer qu'il s'agissait plutôt d'une toute nouvelle particule : une particule de même masse que l'électron, mais de charche électrique opposée, autrement dit un électron chargé positivement. On a appelé cette particule l'anti-électron ou positon, ou encore positron.

En 1932, Carl Anderson  (1905-1991), en utilisant les traces produite par les rayons cosmiques dans une chambre à brouillard, a observé pour la première fois les traces laissées par de particules de même masse que l'électron (e-), mais déviées dans un sens opposé par un champ magnétique (donc de charge positive), et qui pouvaient être identifiées comme provoquées par des antiélectrons (e+). La découverte fut confirmée et le positon apparut comme le premier exemple connu d'antimatière. On montra aussi que le positon est la même particule que celle émise dans la désintégration +.  On prédit alors que d'autres particules devaient avoir leur antiparticule. Après la construction des accélérateurs de haute énergie dans les années 1950, de nombreuses autres antiparticules ont été découvertes. C'est ainsi qu'en 1955 Emilio Segrè (1905-1989 ) et Owen Chamberlain (1920-2006)  découvrirent d'abord l'antiparticule du proton ou antiproton, similaire au proton, mais de charge négative. Peu après l'antineutron fut découvert.

La matière et son double.
On sait aujourd'hui qu'il existe une antiparticule pour chaque particule, non seulement pour les fermions comme l'électron, le proton ou le neutron, mais aussi pour les bosons. Une particule et son antiparticule ont  la même masse, le même spin intrinsèque, la même durée de vie (du moins dans le modèle standard), etc. Elles se distinguent par d'autres aspects :

• Lorsqu'on considère une particules chargée électriquement, son antiparticule possède la charge électrique opposée (par exemple, le positon est positif tandis que l'électron est négatif). 
Il existe une certaine variété dans la manière de nommer les antiparticules, et en particulier les particules chargées : parfois, on utilise les signe + et - de la charge électrique pour distinguer la particule de son antiparticule (l'électron e ou e- a pour antiparticule le positon que l'on note e+; le muons µ- a pour antiparticule l'antimuon que l'on note µ+, etc.), parfois, on utilise le symbole de la particule surmonté d'une barre (le proton p a pour antiparticule l'antiproton noté ) et c'est la même convention qui est utilisée pour désigner les antiquarks (par exemple le quark d a pour antiparticule l'antiquark ). Les signes + et - et la barre peuvent aussi se rencontrer ensemble (la particule + a ainsi pour antiparticule -).
• L'antiparticule d'une particule diffère aussi par son moment magnétique et par d'autres caractéristiques qui seront mentionnés plus bas en parlant des lois de conservation. Ainsi, les particules neutres électriquement ont aussi leur antiparticule. Citons le neutron n dont l'antiparticule (antineutron) est notée , ou le kaon neutre K° dont l'antiparticule se note .

• Certaines particules neutres électriquement sont leur propre antiparticule.  C'est le cas du photon , du boson intermédiaire Z°, des mésons ° et °. Une des questions actuelles de la physique est de savoir si les neutrinos appartiennent aussi à cette catégorie (les fermions qui sont leur propre antiparticule sont appelées particules de Majorana).

Annihilations et créations de paires.
Lorsqu'une particule et son antiparticule interagissent, elles s'annihilent, convertissant généralement totalement leurs masses en énergie pure sous forme de photons gamma (rayonnement de haute énergie ). Telle est l'annihilation électron-positon. Dans ce processus l'électron et le positron disparaissent complètement et deux photons sont produits à leur place. La production d'un seul photon violerait la conservation de la quantité de mouvement. Les deux photons se partagent aussi toute l'énergie des deux électrons (leur énergie cinétique plus leur énergie de masse 2mec², où me est la masse au repos d'un électron).
• Antimatière et médecine. L'annihilation électron-positon est utilisée dans une technique imagerie médicale appelée tomographie par émission de positons (TEP ou PET en anglais) couplée à un scanner (PET-scan). Le patient reçoit une injection d'un radiotraceur (une solution de glucose contenant une substance radioactive qui se désintègre en raison de l'émission de positons), qui est transporté dans tout le corps par le sang. Chaque fois qu'un positon émis par la désintégration + dans l'un des noyaux radioactifs, il est annihilé par un électron dans le tissu environnant, ce qui entraîne l'émission de deux photons gamma dans des directions opposées. Un détecteur gamma qui entoure le patient détermine alors avec précision la source des photons et, à l'aide d'un ordinateur, affiche une image des sites où le glucose s'accumule. Le glucose est rapidement métabolisé dans les tumeurs cancéreuses et s'accumule sur ces sites; il  se concentre aussi dans les régions actives du cerveau (comme celles qui sont impliquées dans les fonctions du langage ou de la vue, par exemple). Le PET-scan peut être utilisé comme outil de diagnostic de nombreuses maladies du cerveau, dont la maladie d'Alzheimer.
La réaction e–+ e 2 peut également se dérouler dans le sens inverse : deux photons peuvent s'annihiler pour produire une paire d'électrons et de positons (+ e–+ e+ ). Il se peut aussi qu'un seul photon produise une paire électron-positon dans un processus appelé production de paires.
• Dans ce processus, un photon gamma d'énergie suffisamment élevée interagit avec un noyau atomique A, et une paire électron-positon est créée à partir de ce photon : + A A + e–+ e (la présence du noyau est nécessaire pour satisfaire le principe de conservation de la quantité de mouvement). Pour créer une paire électron-positon, le photon doit posséder au moins l'énergie  totale au repos de cette paire, soit, au moins, à 2 x mec² = 2 x 0,511.c² MeV = 1,22 MeV (où me est la masse de l'électron). L'énergie d'un photon (E=h) est convertie en énergie au repos (ER = mc²) de l'électron et du positon (équivalence masse-énergie). Et si le photon gamma possède un excès d'énergie en plus de l'énergie au repos de la paire électron-positon, ce surplus s'exprimera comme l'énergie cinétique des deux particules. 
Les anti-atomes.
Lorsque une antiparticule est crée (et a fortiori lorsqu'un édifice d'antimatière est constitué) elle s'annihile très rapidement car notre environnement est constitué presque exclusivement de matière. Cependant, il est possible de contenir des particules d'antimatière à grande échelle telles que les antiprotons en utilisant des pièges électromagnétiques qui confinent les particules dans un champ magnétique afin qu'elles ne s'annihilent pas avec d'autres particules. Cela reste difficile. Les particules de même charge se repoussent, donc plus il y a de particules contenues dans un piège, plus il faut d'énergie pour alimenter le champ magnétique qui les contient. Il n'est actuellement pas possible de stocker une quantité importante d'antiprotons, par exemple.

Les mêmes forces qui maintiennent ensemble la matière ordinaire assurent la cohésion de l'antimatière. Dans les bonnes conditions, il est possible de créer des anti-atomes. Dans les anti-atomes, les positons évoluent autour d'un noyau chargé négativement composé d'antiprotons et d'antineutrons. Des atomes d'anti-hydrogène, constitués d'un antiproton et d'un antiélectron, ont également été observés en 1995 au CERN.  L'anti-oxygène et même l'anti-molécule d'anti-eau ont aussi pu être créés.

Où est passée l'antimatière?
L'univers que nous pouvons observer est presque exlusivement composé de matière. Comment expliquer l'extrême rareté de l'antimatière? Après tout, autant qu'on puisse le savoir, chaque fois que de la matière est créée, une quantité égale de d'antimatière l'est aussi. Un processus existe-t-il qui, au début de l'histoire cosmique, a séparé spatialement la matière et l'antimatière, éloignant cette dernière au-delà de la région actuellement accessible à l'observation? Ne faut-il pas plutôt, comme les physiciens le pensent généralement, invoquer un mécanisme, intervenant lui aussi au tout début de l'histoire cosmique, et introduisant une dissymétrie entre la matière et l'antimatière? Si certaines particules d'antimatière se désintègrent légèrement plus rapidement que leur contrepartie de matière, un excédent de matière est possible. Certaines théories autorisent effectivement ce scénario.

Classifications des particules élémentaires

Les particules élémentaires peuvent être classées de différentes manières. On se réfère  ordinairement à leur classification selon leur propriété de spin et à celle selon leur sensibilité aux forces fondamentales.

Classification selon le spin.
Les particules de matière peuvent être divisées en fermions et bosons en fonction de leur spin. 

• Le spin d'une particule est un nombre quantique abstrait attaché à chaque particule et qui s'interprête comme son moment cinétique intrinsèque (c'est l'analogue quantique de la mesure de la rotation d'un objet macroscopique autour de son axe; le concept s'applique non seulement aux particules composites, mais aussi aux leptons et aux quarks que l'on suppose sans extension spatiale et donc pour lesquels on ne pourrait pas, avec les concepts macroscopiques, parler de « rotation »). 
La valeur du spin  s'exprime en unités -= h/2; où h est le symbole de la constante de Planck. le symbole  (h barre), d'usage très courant en physique, car permettant d'écrire des formules plus lisibles, désigne la constante de Planck réduite. Ajoutons qu'il est fréquent que  sous sous-entendue lorsqu'on parle du spin d'une particule, ainsi dira-t-on simplement, par abus de langage, que telle particule a un spin de 1/2 ou telle autre d'un spin  de 2.
Fermions et bosons.
Fermions et les bosons ont des comportements collectifs différents.
• Les fermions. - Les fermions ont un spin demi-entier (1/2., 3/2., ...). Les électrons, les protons et les neutron sont des fermions. Ces particules obéissent à la statistique de Fermi-Dirac. Lorsque les fermions sont confinés dans une petite région de l'espace, le principe d'exclusion de Pauli (1900-1958) stipule que deux fermions ne peuvent occuper le même état quantique (une propriété quelconque doit permettre de les différencier).

• Les bosons. - Les bosons ont un spin entier (0., 1.h, 2. ...). Le photon, à l'instar des autres particules responsables des interactions, est un exemple de boson. Certaines particules de matière (les mésons) sont aussi des bosons. Ces particules obéissent à la statistique de Bose-Einstein.Contrairement à ce qu'il advient avec les fermions, les bosons peuvent se trouver dans le même état quantique alors qu'ils sont dans une même région exiguë de l'espace. La technologie du laser, par exemple, exploite cette propriété du photon. La superfluidité  de l'hélium à très basse température ( < 2,15 K) résulte elle aussi du fait que le noyau hélium (deux protons [spin : 1/2 + 1/2] et deux neutrons [spin : 1/2 + 1/2]) est un boson (spin total : [1/2 + 1/2] + [1/2 + 1/2] = 2).

L'indiscernabilité des particules.
Le comportement des fermions et des bosons en groupes peut être compris en termes de propriété d'indiscernabilité. 

Les particules sont dites indiscernables si elles sont identiques les unes aux autres. Par exemple, les électrons sont indiscernables parce que chaque électron de l'univers a exactement la même masse et le même spin que tous les autres électrons.

Si l'on permute deux particules indiscernables dans la même petite région de l'espace, le carré du module de la fonction d'onde  (||²) , qui décrit ce système et qui peut être mesuré est inchangé. Si ce n'était pas le cas, nous pourrions dire si les particules avaient été commutées ou non et la particule ne serait pas vraiment indiscernable. Les fermions et les bosons diffèrent selon que le signe de la fonction d'onde () - qui elle n'est pas directement observable - change ou non :

' - (fermions indiscernables), 
' + (bosons indiscernables).
Les fermions sont dits « antisymétriques par permutation » et les bosons sont «-symétriques par permutation ». 

Le principe d'exclusion de Pauli est une conséquence de la symétrie par permutation des fermions. 

La structure électronique des atomes est fondée sur le principe d'exclusion de Pauli et est donc directement liée à l'indiscernabilité des électrons.

Classification selon les interactions.
Les fermions peuvent aussi être divisés selon les interactions auxquelles ils participent, c'est-à-dire selon les forces auxquelles ils sont sensibles. Ils sont tous sensibles à la gravitation (même lorsqu'une particule n'a aucune masse, elle possède une énergie...). Ils peuvent aussi participer à  l'interaction électromagnétique (même dans le cas de particules sans charge électrique, comme le neutron, qui possède un moment magnétique) et à l'interaction faible. Mais le critère discriminant le plus pertinent apparaît être la sensibilité à l'interaction nucléaire forte. 

On distingue alors les hadrons, qui sont les particules sensibles à la force forte et les leptons, qui n'y sont pas sensibles.

Les hadrons.
Les hadrons sont des particules composites. Ils sont constitués de quarks liés entre eux par une force dont la force nucléaire forte qui s'exerce entre hadrons est une expression. Le lien qui unit les quark est tellement solide qu'ils ne s'observent jamais à l'état libre. Les quarks sont considérés comme des particules fondamentales.

• Les quarks. -  Il existe six quarks (on dit aussi : six saveurs de quarks), divisés en deux groupes. Il s'agit des quarks u (up), c (charm) et t (top ou truth), d'une part, et des quarks d (down), s (strange) et b (bottom ou beauty), de l'autre. Les membres d'un même groupe de particules partage les mêmes propriétés mais diffère en masse. Par exemple, la masse du quark top est beaucoup plus grande que celle du quark charm, et la masse du quark charm est beaucoup plus grande que celle du quark up
La charge électrique des quarks est fractionnaire (±1/3 ou ±2/3 charges élémentaires qe). Mais il n'y a pas de quark libre : les quarks sont toujours liés entre eux de telle sorte que dans la particule composite qu'ils forment la somme des charges électriques soit toujours entière (positive ou négative) ou nulle.
Selon que les hadrons sont composés de deux où trois quarks, on les range respectivement dans la catégorie des  mésons ou dans celle des baryons.
• Les mésons sont des hadrons formés d'un quark et d'un anti-quark. Par exemple, le méson + est composé d'un quark up et d' un quark antidown (+ = ). Citons encore dans cette famille : les deux autres mésons  ou pions  (- et °), qui sont les moins massifs que le premier (masses d'environ 1,4 X 10² MeV/c²), les trois mésons K, les particules upsilon et J/. Les mésons peuvent se désintégrer en leptons (électrons, positrons, neutrinos) et photons, et ne laisser aucun hadron. Ils ont un spin égal à zéro ou un (0 ou 1); contrairement aux autres hadrons, ce sont donc des bosons. 

• Les baryons sont composés de trois quarks. La matière ordinaire (protons, neutrons) se compose de seulement deux types de quarks différents (réunis par trois) : le quark up (charge électrique : q = + 2/3) et le quark down (q = -1/3). Ainsi,  un proton (p) est-il composé de deux quarks up et d'un quark down (p = uud, q = +1); quant au neutron (n), il est composé d'un quark up et de deux quarks down (n = udd, q = 0). 

Les protons et les neutrons, qui sont les constituants du noyau des atomes, sont appelés nucléons. On connaît aussi des baryons appelés hypérons. Parmi ceux-ci, on peut mentionner les particules lambda (), sigma, xi () et oméga (). 
Le proton est le baryon qui a la masse la plus faible. Ainsi, à l'exception du proton, tous les baryons se désintègrent de telle sorte que les produits finaux comprennent un proton. Par exemple, le  se désintègre en ° en 10-10 s environ. Le ° se désintègre ensuite en un proton et en - en environ 3.10-10 s.

Le spin des baryons prend toujours une  valeur demi-entière (1/2 ou 3/2).

Les leptons.
Les leptons (du grec leptos, qui signifie « petit » ou « léger ») sont considérés comme des particules fondamentales (particules indécomposables). Ils participent aux interactions faible, électromagnétique et gravitationnelle, mais ne participent pas à l'interaction forte. 

On connaît six leptons, qui correspondent à deux types de particules : 

• Le premier comprend  l'électron (e), et deux autres particules de charge électrique négative qui lui sont  similaires, mais qui sont plus massives : le muon (µ) et tau ou tauon (). e muon est plus de 200 fois plus lourd qu'un électron, le tauon, découvert en 1975, est environ 3500 fois plus lourd que l'électron (ou environ deux fois la masse du proton). Seul l'électron est stable. Une fois créés, le muon et le tau se désintègrent rapidement en particules plus légères via la force faible. 

• Le second se compose de trois particules très élusives, qui n'interagissent que par l'interaction faible, les neutrinos (on parle de trois saveurs de neutrinos). Il y a un neutrino associé à l'électron, le neutrino électronique  (), un neutrino associé au muon, le neutrino muonique  () et une neutrino associé au tauon, le neutrino tauique (), découvert en 2000. Les études actuelles indiquent que les neutrinos ont une masse excessivement faible mais non nulle.

Tous les leptons ont un  spin 1/2.

Les leptons sont considérées comme des particules fondamentales parce qu'ils n'ont pas de structure sous-jacente apparente. Ils n'ont pas non plus de taille discernable au-dessus de celle que définit leur longueur d'onde, soit au-dessus d'environ 10-18 m. 

Récapitulatif des particules fondamentales.
Si l'on range à part le boson de Higgs, les particules fondamentales se répartissent en deux groupes, les particules de matière, qui sont des fermions, et les particules médiatrices des interactions, qui sont des bosons, et parmi lesquelles ont pourrait aussi ranger le graviton, médiateur hypothétique de la gravitation. 

On distingue parmi les particules de matière deux types de particules, les six quarks et les six leptons (et leurs antiparticules respectives), qui eux-mêmes peuvent s'organiser en trois familles analogues (colonnes verticales de la rubrique des fermions dans le tableau ci-dessous). Chaque famille comporte deux quarks, un lepton chargé électriquement et un lepton neutre (neutrino). La première famille est celle de la matière ordinaire, dont la plupart des choses sont composées. Les deux autres (dont les particules sont de plus plus massives en allant de la gauche vers la droite du tableau) représentent ce qu'on appelle la matière exotique. 

Aucune logique sous-jacente n'est à chercher dans la manière dont on a rangé dans le tableau les différentes particules porteuses des forces. L'interaction électromagnétique concerne les leptons chargés électriquement (electron, muon, tauon) et les quarks; l'interaction forte ne concerne que les quarks. Les neutrinos ne sont sensibles qu'à l'interaction faible (et à la gravitation). Toutes les particules sont sensibles à la gravitation.
 

Fermions
(particules de matière)
Bosons
(particules médiatrices des interactions)
Quarks up (u) charmé (c) top (t) photon ()
Interaction électromagnétique
down (d) étrange (s) bottom (b) gluon (g)
Interaction forte
Leptons neutrino électronique () neutrino muonique () neutrino tauique  () Boson intermédiaire
neutre (Z°)
Interaction faible
électron  (e) muon  () tauon () Bosons intermédiaires
positif et négatif (W+, W-)
Interaction faible

Lois de conservation des particules

Une des idées les plus importantes de la physique est que chaque fois que quelque chose est possible, cela se produit immanquablement. Et si toutes les choses possibles ne se produisent pas en même temps (l'univers, dans ce cas, se serait écroulé en bien mois que deux jours...), c'est parce que que certaines sont plus probables que d'autres. Les choses les plus probables tendent à se produire plus tôt, les autres se produisent plus tard. Si quelque chose ne se produit pas, c'est que c'est interdit par une règle. Les lois de conservation font partie de ces règles. Lorsqu'une particule est impliquée dans un processus, ce sont les règles de conservation qui disent ce qui est possible (avec un degré de probabilité déterminé par la théorie et le calcul) et ce qui est impossible.

La physique classique obéit  déjà à certaines certaines lois de conservation. Par exemple, la charge est conservée dans tous les phénomènes électrostatiques. La charge perdue à un endroit est gagnée dans un autre car la charge est transportée par des particules. Aucun processus physique connu ne viole la conservation de la charge. Il existe aussi des preuves solides que l'énergie, la quantité de mouvement et le moment angulaire obéissent à des lois de conservation. Toutes ces lois régissent aussi le monde des particules élémentaires, qui ajoute à sa législation la nécessité de conserver des quantités, appelées nombres quantiques, qui ne concernent que les particules, tels sont les nombres leptoniques L, le nombre baryonique B, ou l'étrangeté S, pour ne citer que les plus importantes.

• Les nombres quantiques peuvent être des grandeurs dimensionnées, c'est-à-dire s'exprimant en certaines unités. C'est le cas du spin exprimé en unités  ( = constante de Planck réduite) ou de la charge électrique s'exprimant en unités qe (= charge de l'électron ou charge élémentaire). On sous-entend couramment  et qe. D'autres nombres quantiques n'ont pas de dimensions (ce sont des nombres purs), comme par exemple le nombre baryonique (= nombre de baryons) ou les différents nombres leptoniques.
Conservation du nombre leptonique.
Il n'existe  que six leptons (et leurs six antiparticules). Trois leptons sont chargés électriquement  (e–, µ––) et trois sont neutres (neutrinos). L'électron est associé au neutrino électronique (), le muon au neutrino muonique () et le tauon au neutrino tauique (). Ces associations définissent trois familles ou générations de leptons dont les membres peuvent être caractérisés par un paramètre particulier intervenant lors des interactions faibles et appelé nombre leptonique.  Il y a ainsi trois nombres leptoniques différents : Le nombre leptonique électronique , le nombre leptonique muonique  et le nombre leptonique tauique 
•  =  1 pour l'électron et le neutrino électronique, =  -1 pour leurs antiparticules, et  =  0 pour toutes les autres particules.

•   =  1 pour le muon et le neutrino muonique,  =  -1 pour leurs antiparticules et 0 pour toutes les autres particules.

•  = 1 pour le tauon et le neutrino tauique;   = - 1 pour leurs antiparticules, et  = 0 pour toutes les autres particules.

La conservation des nombres leptoniques stipule que lorsqu'une réaction ou une désintégration se produit, la somme de chacun des  nombres leptoniques avant le processus doit être égale à la somme de chacun des nombres de leptoniques après le processus. Chacune de ces quantités doit être conservée séparément. 

Les six leptons

Nom
(et symbole)
Masse
au repos
(MeV/c²)
Charge Durée de vie
(s)
Electron (e–) 0,511 -1 1 0 0 (*)
Neutrino électronique () < 0,09 eV/c²  0 1 0 0
Muon (–) 105,7 -1 0 1 0 2,2 x 10-6
Neutrino muonique () < 0,27  0 0 1 0
Tauon (–) 1777 -1 0 0 1 2,91 x 10-13
Neutrino tauique () < 0,31  0 0 0 1
Spin = 1/2 (ce sont des fermions);Nombre baryonique B = 0; Etrangeté S = 0.
(*) Le symbole  signale les particules stables. Les leptons sont divisés en trois familles (ou trois générations), chacune composée d'un lepton chargé électriquement et du neutrino qui lui est associé.

Pour illustrer cette loi de conservation, considérons le processus de désintégration en deux étapes suivant :

µ+

µ+ e+

Dans la première désintégration, tous les nombres leptoniques pour  sont égaux à 0, puisque les les pions ne sont pas des leptons. Mais pour les produits de cette désintégration, on a :  = -1 pour µ+ et  = 1 pour . La somme de ces deux nombres (-1) + (1) est égale à 0.  Par conséquent, le nombre leptonique muonique est conservé. Aucun électron ou tauon n'est impliqué dans cette désintégration, donc  = 0 et  = 0 pour la particule initiale et tous les produits de désintégration. Ainsi, les nombres leptoniques électronique et tauique sont également conservés.

Dans la seconde désintégration, µ+ a pour nombre leptonique muonique  = -1, alors que le nombre leptonique muonique net des produits de désintégration est 0 + 0 + (-1) = -1. Ainsi, le nombre leptonique muonique est conservé. Le nombre leptonique électronique est également conservé, puisque   = 0 pour µ+, alors que le nombre leptonique électronique net des produits de désintégration est (-1) + 1 + 0 = 0. 

Enfin, comme aucun tauon n'est impliqué dans ce désintégration, le nombre leptonique tauique, nul au départ comme à l'arrivée, est également conservé.
-

Oscillation et masse des neutrinos

Dans les années 1980, quand les astrohysiciens se sont rendu compte qu'ils détectaient moins de neutrinos en provenance du Soleil que ce que prédisaient leurs modèles. Le tiers de ce qui était attendu.

Une possibilité était que les neutrinos, au cours de leur parcours entre le Soleil et la Terre, oscillaient. Produits en tant que neutrinos électroniques, ils se transformaient sans cesse en l'une au l'autre saveur possible . Ainsi  la probabilité de détecter un neutrino de saveur donnée (neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tauique) à un  un moment donné était d'un tiers. L'oscillation des neutrinos expliquait qu'on ne capte donc au final qu'un tiers des neutrinos électroniques produits.

Or la théorie prévoit qu'une telle oscillation n'est possible que si au moins un des types de neutrinos possède une masse. Longtemps, il avait été admis que les neutrinos en sont dépourvus. Et, même si, l'hypothèse que cette masse soit très faible, mais non nulle, a avait déjà été émise à la fin des années 1950 par Bruno Pontecorvo (1913-1993), la question revêtait une pertinence nouvelle.

De nombreuses expériences menées depuis ont conclu effectivement à l'oscillation des neutrinos. La détermination de leur masse est cependant restée difficile, mais il semble admis aujourd'hui que la somme des masses des trois neutrinos pourrait se situer, en ordre de grandeur, au maximum autour de 0,1 eV/c². Au moins un type de neutrino devrait avoir une masse supérieure à 0,04 eV/c².

De tels résultats impliquent que, dans certaines circonstances, les nombres leptoniques ne sont pas conservés. La somme des trois nombres leptoniques reste, elle, conservée.

D'autres exemples.
On pourra vérifier sur les trois exemples suivants que les nombres leptoniques sont conservés. 

• Prédit dès 1931 par Wolfgang Pauli, le neutrino (en fait l'antineutrino électronique dans le cas présent) a été découvert expérimentalement en 1956 à partir de l'étude de la désintégration du neutron, selon le schéma n p + e +  (désintégration ).

• Lorsque le muon a été découvert dans les rayons cosmiques; son mode de désintégration s'est avéré être µ–  e–

• De même, lorsque les particules  sont créées, elles  se désintègrent d'une manière similaire aux muons : un de leurs modes de désintégration répond à la formule – µ–. Le tauon est connu depuis 1975, mais le neutrino tauique n'a pu être observé qu'en 2000.

Conservation du nombre baryonique.
On vient de voir le mode de désintégration du neutron responsable de la radioactivité . A ce point, on pourait envisager d'autres modes de désintégration, tels que, par exemple celle qui suivrait le schéma  e+ + e–. Aucune loi de conservation considérée jusqu'à présent ne s'oppose à ce processus : la charge électrique et les nombres leptoniques sont conservés (et on peut imaginer un contexte dans lequel l'énergie et l'impulsion le sont aussi). Une telle réaction n'a cependant jamais été observée. Pour rendre compte de cela, on introduit une nouveau nombre quantique, celui-ci attaché aussi à toutes les particules, mais qui prend une valeur non-nulle seulement pour les baryons. Il s'agit du nombre baryonique B  : 
• B = 1 pour les baryons; B = -1 pour les anti-baryons, et donc B= 0 pour toutes les autres particules.
Loi de conservation stipulera que le nombre baryonique est conservé (en plus de tous les autres nombres) lors de tous les processus (réaction nucléaire, désintégration) dans lesquels sont impliquées les particules. On peut vérifier que la désintégration du neutron selon np + e +  conserve le nombre baryonique. De même pour le processus de collision proton-antiproton  p +  p + p + qui satisfait  lui aussi la loi de conservation du nombre baryonique (nul avant et après l'interaction) :  1 + (-1) = 1+1 + (-1) + (-1) = 0.
•  Si le nombre baryonique est conservé, le proton, qui est le baryon le moins massif, doit être absolument stable (= il ne peut pas se désintégrer spontanément). Cependant, certaines théories actuellement élaborées afin d'unifier les différentes les interactions fondamentales (V. plus bas le paragraphe sur les théories supersymétriques) admettent que le nombre baryonique puisse ne pas être absolument conservé. Le proton serait alors instable. 
Conservation de l'étrangeté.
À la fin des années 1940 et au début des années 1950, des expériences sur les rayons cosmiques ont révélé l'existence de particules qui n'avaient jamais été observées sur Terre. Ces particules étaient produites lors de collisions de pions avec des protons ou des neutrons dans l'atmosphère. Leur production et leur décomposition étaient inhabituelles.
• Ces particules étaient produites dans les interactions nucléaires fortes entre des pions et des nucléons, et  l'on pouvait en déduire qu'on avait affaire à des hadrons; cependant, leur désintégration était médiée par l'interaction nucléaire faible à action beaucoup plus lente. Leur durées de vie étaient de l'ordre de 10-10 secondes (cas, par exemple, des particules + et ) à 10-8 s (exemple :  kaon positif K+), alors que la durée de vie typique d'une particule qui se désintègre via l'interaction nucléaire forte est plutôt de l'ordre de 10-23 s à 10-20 s. 

• Ces particules étaient également inhabituelles car elles étaient toujours produites par paires dans les collisions pion-nucléon. 

Voici un exemple de ce qu'on observe ordinairement :  la production via l'interaction forte de la paire 0 et K0 résulte de la collision d'un pion négatif et d'un proton : –+ p 0 + K0.  Chacune des particules produite se désintègre ensuite par l'interaction nucléaire faible, l'une selon le schéma : –+ p, pour l'une; et pour l'autre,  selon K+ –. Or, si l'on ne devait prendre en compte que les lois de conservation connues jusqu'ici, rien ne s'opposerait à ce que la réaction suivant puisse s'observer-–+ p  n + K0 (on peut vérifier que la charge électrique et les nombres leptoniques et baryonique sont conservés). Or cela n'arrive jamais.
Pour ces raisons, et aussi parce qu'aucun processus physique ne semblait les rendre nécessaires (les processus auxquels elle participaient aurait pu se produire à l'identique sans elles), ces particules nouvellement découvertes ont été décrites comme étranges. Si une réaction telle que –+ p  n + K0 n'est jamais observée, c'est parce qu'il doit exister une loi qui assure la conservation d'un nouveau nombre quantique appelé l'étrangeté, dont le sympole est S. 
-
Les particules étranges sont toutes des particules composites (hadrons). On verra plus loin que leur étrangeté  tient à ce qu'elles contiennent toutes au moins un quark particulier, que l'on a nommé en toute logique le quark s ou quark étrange ( = strange en anglais). Ainsi le nombre quantique S est-il défini comme le nombre de quark s contenus dans la particule, assorti des signes plus ou moins selon que l'on a affaire à une particule ou à son antiparticule.
•  S = 0 pour toutes les particules qui ne contiennent pas de quark étrange. 
Il existe un cas particulier, où la particule est bien composée de quarks s, mais où l'étrangété S n'apparaît pas : c'est le cas du méson , découvert en 1962, composé du quark étrange s et de l'antiquark étrange :  ( = s et donc S =  (-1) +1 = 0...).
• S = ±1 pour les mésons étranges (kaons). 

• S =  ±1,  ±2 ou  ±3 pour les baryons étranges (S =  ±1 pour les  particules  et ; S =  ±2 pour les particules , et S =  ±3 pour les ).

L'étrangeté est conservée par la force nucléaire forte, qui régit la production de la plupart de des particules étranges, mais elle n'est pas conservée par la force nucléaire faible. 
Ainsi, par exemple dans la réaction : –+ p 0 + K0, l'état initial correspond-il à S = 0 et l'état final à (-1) + (+1) = 0. En revanche pour- :
–+ p, on a S = 1 pour l'état initial et S =0 pour l'état final; et pour 
K+ , on a de la même façon même a S = - 1 pour l'état initial et S = 0 pour l'état final.
Historiquement, la conservation de l'étrangeté a été le premier exemple connu d'une loi de conservation dont le champ d'application est seulement partiel. On va voir qu'un autre nombre quantique, appelé le charme, se conserve lui aussi seulement partiellement.  La première particule charmée (c'est-à-dire de charme non nul) a été identifiée en 1974. Cette découverte a joué un rôle important dans la consolidation de la théorie des quarks dont il va être question maintenant.

Exemples de hadrons

Catégories
Nom symbole Masse
au repos
(MeV/c²)
Charge B S Durée 
de vie (s)
Mésons

 Spin entier :  0 
ou 1 (J/Psi et Upsilon)

Pions + 139,6 +1 0 0 2,60 x 10-8
° 135,0  0 0 0 8,4 x 10-17
Kaons K+ 493,7 +1 0 0 1,24 x 10-8
497,6  0 0 0 0,9 x 10-10
Eta ° 547,9  0 0 0 2,53 x 10-19
J/Psi J/ 3100  0 0 0 7,1 x 10-21
Upsilon 9460  0 0 0 1,2 x 10-20
Baryons

Spin demi-entier :
1/2 ou 3/2 (–).

Nucléons Proton p 938,3 +1 1 0
Neutron n 939,6  0 1 0 882
Hypérons Lambda ° 1115,7  0 1 -1 2,63 x 10-10
Sigma + 1189,4 +1 1 -1 0,8 x 10-10
° 1192,6  0 1 -1 7,4 x 10-20
– 1197,4 -1 1 -1 1,48 x 10-10
Xi ° 1314,9  0 1 -2 2,9 x 10-10
– 1321,7 -1 1 -2 1,64 x 10-10
Oméga – 16,72,5 -1 1 -3 0,84 x 10-10
Nombres leptoniques  =  =  = 0

Les quarks

Au début des années 1960, les physiciens avaient découvert de nombreuse nouvelles particules (les hadrons) et se trouvaient dans une situation similaire à celle qu'avaient connu avant eux les chimistes devant la profusion de corps simples. Les chimistes avaient réussi, à travers la classification périodique des éléments, à découvrir un principe d'ordre qui trouvait son explication dans la structure des atomes. Il s'agissait désormais de découvrir à quel principe d'ordre obéissaient les particules élémentaires. La solution a été élaborée en 1963, indépendamment par Murray Gell-Mann (1929-2019)  et George Zweig (né en 1937), qui ont découvert l'équivalent de leur « classification périodique », en inscrivant les relations qui existaient entre hadrons alors connus dans un schéma offert par la la théorie mathématique des groupes. Cet ordonancement suggérait (mais on s'en doutait déjà) que les hadrons n'étaient pas vraiment fondamentaux et qu'ils étaient constitués à partir de combinaisons de seulement trois particules ponctuelles, plus fondamentales, auxquelles Gell-Mann a donné le nom de quarks, d'après un mot tiré d'un roman de James Joyce. Zweig appelait as (aces en anglais) ces mêmes particules.
-

. Le passage du roman de James Joyce Finnegans Wake (1939),
dans lequel Murray Gell-Mann a puisé le mot quark,
qui serait une forme ancienne du verbe to croak = croasser.

A l'époque trois types (ou saveurs) de quarks seulement (auxquels s'ajoutaient leurs trois antiquarks) permettaient de rendre compte de tout le « zoo des particules » connues, en tout cas de tous les baryons et de tous les mésons. Il s'agissait des quarks appelés up (u), down (d) et strange (s). 

La théorie confère aux quarks un spin demi-entier : ce sont donc des fermions. Tous les mésons ont un spin entier tandis que tous les baryons ont un spin demi-entier. Par conséquent, les mésons doivent être constitués d'un nombre pair de quarks tandis que les baryons doivent être constitués d'un nombre impair de quarks. De fait, les mésons sont constitués d'un quark (spin 1/2) et d'un antiquark (spin -1/2) et le spin total est donc 0. Le proton, qui est un exemple de baryon, est composés de trois quarks, deux de même spin (1/2+1/2)  et un troisième de spin opposé (-1/2); au total cela fait un spin de 1/2.

Puisque les baryons sont composés de trois quarks, le nombre baryonique d'un quark doit être fractionnaire : B = 1/3. Mais, la proposition la plus radicale de Gell-Mann et Zweig était que les quarks avaient en outre des charges électriques fractionnaires (± 2/3 et ±1/3), alors que toutes les particules directement observées ont des charges entières ou nulles (multiples entiers la charge de l'électron, qe, l'unité de charge).

• La valeur fractionnaire du quark ne viole pas le fait que  qe (la charge de l'électron) soit la plus petite unité de charge observée, car un quark isolé ne peut pas exister, du moins aux températures ordinaires. 

• Le neutron est constitué de charges dont la somme est égale à zéro mais qui, en se déplaçant en son sein, produisent son moment magnétique. (Le moment magnétique du neutron, connu depuis longtemps, a été une des  raisons qui avaient déjà fait soupçonner son caractère composite)

Les six quarks.
La théorie à trois saveurs de quarks (u, d, s) de Gell-Mann et Zweig est appelée le modèle original des quarks. Les découvertes faites depuis 1963 ont nécessité trois saveurs de quark supplémentaires : les quarks charmé (c), bottom (b) et top (t). 
• De même qu'un quark u pouvait être associé a un quark d, après la découverte du quark s, la théorie prédisait l'existence d'un quark qui pourrait lui être associé, le quark c (quark charmé). La première particule contenant un tel quark a été découverte indépendamment et presque simultanément en novembre 1974, par deux groupes (l'un dirigé par C. C. Ting au Brookhaven National Laboratory et l'autre par Burton Richter à l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC). Il s'agissait d'un méson dont la sous-structure était clairement . Il a été nommé J par un groupe et psi () par l'autre, et il est maintenant connu sous le nom de méson J/. Depuis, de nombreuses particules contenant le quark charmé ont été découvertes.

• L'histoire s'est rapidement répétée. En 1975, des chercheurs de l'Université de Stanford ont apporté des preuves de l'existence d'un nouveau lepton, le tauon (), suggérant l'existence d'une troisième famille de leptons, à laquelle aurait correspondu une troisième famille de quarks. C'est ainsi qu'a émergé l'hypothèse de l'existence de deux nouveaux quarks, les quarks, t (top = sommet ou truth = vérité) et b (bottom = fond ou beauty = beauté). 

• En 1977, la preuve de l'existence du quark b a été apportée par les chercheurs du Fermilab, qui ont signalé la découverte d'un nouveau méson très lourd, l'upsilon ()  dont il a été démontré qu'il était composé d'un  d'un quark bottom et d'un quark antibottom ou  (la configuration était tout à fait analogue à celle du J/ qui lui aussi est composé d'un quark et de son antiquark : le fait de n'impliquer qu'une saveur unique de quarks permet une mise en évidence plus facile des caractéristiques de ces quarks).  En mars 1995, des chercheurs du même laboratoire, utilisant le Tévatron (un accélérateur circulaire fermé en 2011), ont annoncé la découverte du quark t complétant le tableau actuel de six quarks, tel qu'il apparaît ci-dessous. 

--
Les six quarks
Nom
(et symbole)
Charge
(e)
S c b t Masse
(Gev/c²)
Down (d) -1/3 0 0 0 0 0,008
Up (u) +2/3 0 0 0 0 0,005
Etrange (s) -1/3 -1 0 0 0 0,50
Charmé (c) +2/3 0 1 0 0 1,6
Bottom ou Beauty (b) -1/3 0 0 -1 0 5
Top ou Truth (t) +2/3 0 0 0 1 173
• Tous les quarks ont un spin s = 1/2 et un nombre baryonique B = 1/3. Ils ont aussi tous leur antiparticule (de mêmes spin et masse et de charge électrique opposée) caractérisée par des nombres quantiques (charge, B, S, c, b et t) de signes opposés.

• Le quarks u est stable; le quark d a une durée de vie d'environ 900 s (= la durée de vie du neutron). les autres sont instables, mais leurs durée de vie sont estimées être de l'ordre de 10-8 s pour le quark s et de 10-12 s pour les quarks c et b; le quark t a une durée de vie de l'ordre de 10-25 s.

• Les masses des quarks ne sont connues qu'approximativement, car elles ne sont pas mesurables directement. Elles doivent être déduites des masses des particules que ces quarks forment en se combinant

Des preuves! on veut des preuves!
Lorsque Gell-Mann et Zweig ont proposé les trois saveurs originales de quark, les particules correspondant à toutes les combinaisons de ces trois n'avaient pas été observées. Tout comme cela avait été le cas dans le tableau périodique des éléments, toutes les cases n'étaient pas remplies. Ainsi, manquait-il, par exemple, la particule composée de trois quarks étranges (sss), que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de particule –. Mais la théorie des quarks permettait de prévoir, non seulement son étrangeté, mais aussi son spin, sa charge électrique, sa masse et sa durée de vie approximatives. Il devait donc être possible de l'identifier expérimentalement, et sa découverte n'a d'ailleurs pas tardé (1964, Bookhaven National Laboratory). Ce n'était  pourtant là qu'une preuve indirecte de l'existence des quarks. 
-
Des indications expérimentales plus solides de l'existence de quarks sont ont été produites grâce à une série d'expériences réalisées avec l'accélérateur linéaire de  Stanford  (SLAC) et au CERN. Dans les deux cas, il s'agissait de sonder la structure du proton par des expériences de difffusion, à la manière dont Rutherford (1871-1937), une soixantaine d'années plus tôt, avait étudié la structure interne du atome avec ses expériences de diffusion de particules . Les expériences du SLAC, menées dès 1967, reposaient sur le bombardement des protons par des électrons hautement accélérés. Elles ont montré que certains électrons étaient déviés à de très grands angles, indiquant l'existence de trois petits centres de diffusion dans le proton. La distribution des déviations constatées était cohérente avec la dispersion des électrons à partir de sites ayant un spin 1/2, le spin des quarks. Les observations menées dans la foulée au CERN, ont quant à elles, concerné la diffusion de neutrinos à la place des électrons, et elles ont elles ont aussi mis en évidence l'existence de minuscules centres de diffusion. Dans les deux cas, les résultats suggèraient pour les particules diffusantes des charches électriques en accord avec le modèle des quarks.

Les expériences menées depuis, impliquant  des énergies beaucoup plus élevées et donc des résultats beaucoup plus précis, n'ont fait que confirmé les résultats précédents. Mais il notable, qu'à ce jour et peut-être encore pour longtemps, il n'a pas été possible d'observer un quark isolé. Aux énergies aujourd'hui accessibles, les quarks restent toujours liés à d'autres quarks. La force forte est vraiment forte : dans la théorie dont elle relève et qui rend compte de cette propriété, on parle du confinement des quarks. Les interactions entre quarks les maintiennent dans une très petite région de l'espace, dans laquelle, cependant, ils sont libres de ce déplacer. La théorie  connaît cette deuxième propriété sous le nom de liberté asympotique.

Ajoutons qu'il existe aussi des preuves indirectes de l'existence de gluons dans les nucléons. Lorsque des électrons de haute énergie sont diffusés par des nucléons, révélant ainsi la présence des quarks,  les impulsions de ces quarks sont plus petites qu'elles ne le seraient s'il n'y avait pas de gluons. Cela signifie que les gluons transportant la force entre les quarks portent également une certaine quantité de mouvement.

• A défaut, de pouvoir observer des quarks véritablement  libres, les physiciens du CERN pensent avoir avoir mis en évidence, en 2000, grâce à des collisions de noyaux de plomb, un plasma formé de quarks et de gluons, dans lequel les quarks ne forment donc aucun hadron. Les études et du plasma quark-gluons continuent d'être réalisées, notamment grâce au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) de Brookhaven.
Les combinaisons de quarks.
Comme on l'a dit, les quarks se lient par trois pour former les baryons ou par deux (paire quark-antiquark) pour former les mésons. 

Les baryons.
Les baryons constituent ce qu'on appelle la matière baryonique. La matière baryonique ordinaire, celle qui forme les noyaux des atomes, est représentée par les nucléons (proton et neutron). Les autres baryons constituent la matière baryonique exotique (catégorie dans laquelle on range aussi des particules hypothétiques qui possèdent au moins un baryon dans leur composition). Le reste de la matière (leptons et éventuellement particules, dites exotiques, prévues par certaines théories) forment la matière non-baryonique.

Exemples de baryons

Nom
(et symbole)
Sous-structure
(Quarks)
Charge
(e)
Spin
()
Masse
(GeV/c²)
Durée de vie
(s)
Proton (p) uud 1 1/2 0,938
Neutron (n) udd 0 1/2 0,940 886
Delta++ (++) uuu 2 3/2 1,232 0,6 x 10-23
Delta+(+) uud 1 3/2 1,232 0,6 x 10-23
Delta°(°) udd 0 3/2 1,232 0,6 x 10-23
Delta–(–) ddd -1 3/2 1,232 0,6 x 10-23
Lambda°(°) uds 0 1/2 1,116 2,63 x 10-10
Sigma+(+) uus 1 1/2 1,189 0,8 x 10-10
Sigma° (°) uds 0 1/2 1,192 7,4 x 10-20
Sigma– (–) dds -1 1/2 1,197 1,48 x 10-10
Xi– (–) dss -1 1/2 1,321 1,64 x 10-10
Xi° (°) uss 0 1/2 1,315 2,9 x 10-10
Oméga– (–) sss -1 3/2 1,672 0,82 x 10-10
Lambda charmé (c+) udc 1 1/2 2,285 2,0 x 10-13
Lambda bottom () udb 0 1/2 5,620 1,2 x 10-12
Oméga– bottom (b-) ssb -1 1/2 6,054 1,13 x 10-12
• La matière baryonique ordinaire (protons, neutrons) est constituée des seuls quarks u et d. 
• Un seul baryon est stable, le proton. Le neutron, stable lorsqu'il est lié au proton dans les noyaux atomiques, se désintègre spontanément en un peu moins d'un quart d'heure. Les autres baryons ont une durée de vie beaucoup courte, souvent d'un dix-milliardième de seconde, ou bien plus courte encore.

• Parmi les particules dont l'existence est la plus brève, on remarque les particules delta. Les baryons delta plus (+)  et delta neutre (°) ont la même structure sous-jacente que le proton et le neutron, respectivement. Ces particules se distinguent des nucléons par leur spin total qui est de 3/2 et non de 1/2, aussi bien que par leur masse :  la masse du +  est 1,3134 fois la masse du proton, et celle du delta zéro (0) avec un spin 3/2 est 1,3106 fois la masse du neutron. C'est l'énergie associée au spin (ou moment cinétique) de la particule qui contribue à son énergie de masse. Pour le reste, ces particules apparaissent comme des variantes (états excités) des nucléons. On a vu plus haut que de telles particules sont appelées résonances.

•  Certaines particules ont des masses identiques ou très proches et même spin et ne semblent différer que par la charge. C'est le cas, par exemple, du proton et du neutron (doublet) ou encore, dans notre tableau, des particules sigma (triplet) ou delta (quadruplet). Ce constat conduit à  introduire un nouveau nombre quantique, l'isospin (aussi appelé spin isotopique ou spin isobare), noté I, qui permet alors de différencier les particules appartenant à un même multiplet.  Selon Heisenberg, à l'origine de cette notion, le proton et neutron pouvaient être considérés comme deux états d'isospin différent d'une unique particule; nommée nucléon. Cette conception a évolué : aujourd'hui, l'isospin est des éléments qui permettent la classification des hadrons, et, partant, la détermination des propriétés de l'interaction forte.

• De même, qu'il existe des baryons possédant deux quarks identiques par leur saveur, il n'y a pas d'inconvénient à ce qu'un baryon puisse aussi être constitué de trois quarks de même saveur (ils ont tous un spin de 3/2). On connaît le ++ (uuu), le –(ddd) ou l'– (sss). On n'a cependant pas encore observé l'–bbb (bbb) et l'++ccc (ccc).

• Aucun baryon n'existe possédant un quark top. Ces quarks se désintègrent trop rapidement pour que cela arrive.

Les mésons.
Les mésons sont des particules instables composés d'un quark et d'un antiquark. En voici quelques exemples :

Exemples de mésons

Nom
(et symbole)
Sous-structure
(Quarks)
Charge
(e)
Spin
()
Masse
(GeV/c²)
Durée de vie
(s)
Pion positif (+) 1 0 0,140 2,6 x 10-8
Pion négatif (–) -1 0 0,140 2,6 x 10-8
Pion neutre (°) Superposition
0 0 0,135 0,83 x 10-16
Eta neutre (°) Superposition
0 0 0,547 5 x 10-19
Rhô positif (+)
(Etat excité du pion)
1 1 0,768 0,4 x 10-23
Rhô négatif (–) -1 1 0,768 0,4 x 10-23
Kaon positif (K+) 1 0 0,494 1,24 x 10-8
Kaon négatif (K–) -1 0 0,494 1,24 x 10-8
Kaon neutre (K° / )
Existe selon deux
superpositions d'états.

(Kaon neutre long)
0 0 0,498 5,12 x 10-8 s

(Kaon neutre court)
0 0 0,498
m?)
8,95 x 10-11
J/Psi (J/) 0 1 3,097 7,2 x 10-21
D positif  (D+) 1 0 1,87 10,6 x 10-13
D+ étrange  (Ds+) 1 0 1,97 4,7 x 10-13
Phi () 0 1 1,02 20 x 10-23
B neutre (B°) 0 0 5,26 1,5 10-12
Upsilon () 0 1 9,46 1,3 x 10-20
• Le méson + (l'un des trois pions) est composé d'un quark up plus un quark antidown, ou .  Sa charge totale est donc +2/3 + 1/3 = 1. Son nombre baryonique est 0, car il a un quark et un antiquark avec des nombres baryoniques +(1/3) - (1/3) = 0. La demi-vie du + est relativement longue car, bien qu'il soit composée de matière et d'antimatière, les quarks sont de différentes saveurs et la force faible a à provoquer la décomposition en changeant la saveur de l'un en celle de l'autre. Les spins des quarks u et  sont antiparallèles, ce qui permet au pion d'avoir un spin zéro. (La même combinaison quark-antiquark donne le méson rho () de spin 1. Ce méson a une masse environ 5,5 fois celle du méson+).

• Le méson – est l'antiparticule du méson +, et il est composé des antiquarks correspondants. Autrement dit, le méson + est u, tandis que le méson –  est d. Commeleurs quarks constitutifs sont les antiparticules l'un de l'autre, ces deux pions s'annihilent rapidement .

• Certains mésons sont leur propre antiparticule. Exemples : pion neutre, éta neutre (et les autres particules éta), rhô neutre, phi, J/psi et upsilon).

• La notion d'isospin, que l'on a introduite ici à propos des baryons, s'applique aussi aux mésons  (particules pi, K, D). Tous les hadrons peuvent être organisés en multiplets d'isospin.

• Les particules rhô+ et rhô– sont des résonances des pions positif et négatif respectivement. La situation est la même que celle déjà évoqué dans le cas des baryons : mêmes structures sous-jacentes, mais spins différents (et, partant, masses et durées de vie différentes).

• Certains mésons se présentent comme des mélanges (ou des superpositions d'états d'autres mésons) d'autres mésons. Ceux-ci, comme dans le cas du pion neutre et de l'éta neutre sont des mésons composés d'un quark et de son propre antiquark . Les mésons répondant une telle combinaison  est parfois appelés quakoniums, même si le terme est plutôt utilisé pour les combinaisons J/ (charmonium) et  (bottomonium). 

Note : en physique quantique, l'état d'un système (ce système pouvant se réduire à une unique particule) est représenté mathématiquement par un vecteur. Or un vecteur peut être décomposé sous la forme d'une combinaison linéaire d'autres vecteurs. C'est ce que l'on exprime par exemple en écrivant, sous forme abrégée : ° = . Comme toute combinaison linéaire, la superposition peut être additive (+) ou soustractive (-) et faire intervenir des facteurs multiplicatifs (ici, pour être moins simpliste, il aurait fallu aussi diviser le second terme de l'équation par la racine carrée de 6).
• Le méson K neutre résulte aussi d'un mélange (celui du K° et de son antiparticule ), qui peut se présenter aussi bien sous forme additive (Kaon neutre long) que sous forme soustractive (kaon neutre court). Les  termes long et court se réfèrent ici à des temps de désintégration différents (ils diffèrent d'un facteur de l'ordre de 1000). Une très petite différence de masse m est également soupçonnée entre les deux formes.

• Les durées de vie des mésons correspondent aux différentes situations rencontrées. Ordinairement, elles sont de l'ordre de 10-8 s. Les résonnances sont excessivement courtes (de l'ordre de 10-23 s). Même chose pour les mésons composés d'un quark et de son propre antiquark (quarkonium), 10-20 s pour l'upsilon, 10-21 s pour le J/psi (on pouvait s'attendre à ce que la particule s'annihile rapidement avec son antiparticule). Les mélanges, enfin correspondent à des durées de vie intermédiaires (on a vu que le pion, le rhô et le kaon neutres sont aussi leurs antiparticules) .
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• Pas plus qu'il n'existe de baryon contenant un quark t, il n'existe aucun méson composé de quark t, trop instable.

La force faible change la saveur des quarks.
L'interaction faible transforme n'importe quel quark en n'importe quel autre. Non seulement pouvons-nous avoir d  u, mais aussi aussi obtenir u  d, ou encore  s  u et s  d (ce qui constitue une violation de la loi de conservation de l'étrangeté par la force faible), b u, etc.
Voici par exemple ce que qui se produit en termes de quarks lors de la désintégration du neutron (désintégration )  : n  p +  , soit :
udd  uud + . Autrement dit, un quark down change de saveur pour devenir un quark up : d  u + .
La force nucléaire forte ne peut pas, quant à elle, changer la saveur d'un quark. En revanche, elle change sa couleur...

La couleur des quarks.
On a remarqué plus haut que certains baryons pouvaient être composés de quarks de même saveur. Les quarks étant des fermions, ils obéissent au principe d'exclusion de Pauli, il peut donc être surprenant d'apprendre que des quarks identiques (même charge, même spin), par exemple deux quarks u, peuvent exister et se lier pour former une particule, éventuellement aussi stable que le proton. Comment deux quarks up peuvent-ils exister dans la même petite région de l'espace au sein d'un proton? Surtout, comment des particules telles que l'oméga moins (composé de trois quark s)  peuvent-ils exister? La réponse à cette question est assez banale en physique des particules : il suffit poser l'existence d'une propriété nouvelle qui permettrait de distinguer chacun des quarks up en présence. 

Cette propriété, qui conduit à multiplier par trois le nombre de quarks, est un nouveau nombre quantique, appelée couleur. Chaque quark, de la même façon qu'il a une charge électrique qui peut être positive ou négative, a donc aussi une couleur (ce nombre quantique  ne concerne que les quarks, les lepton sont neutres du point de vue de la couleur). La couleur joue le même rôle dans l'interaction nucléaire forte que la charge électrique dans les interactions électromagnétiques. Pour cette raison, la couleur des quarks est parfois appelée charge forte. Bien que le concept de couleur dans le modèle des quarks ait été conçu à l'origine pour satisfaire le principe d'exclusion, il fournit également une meilleure théorie pour expliquer certains résultats expérimentaux. Par exemple, la théorie modifiée prédit correctement la durée de vie du méson pi°.

Chaque type de quark (u, d, c, s, b, t) peut posséder chacune des couleurs. Par exemple, trois quarks étranges existent : un quark étrange rouge, un quark étrange vert et un quark étrange bleu. Les antiquarks possèdent des anticouleurs. 

La théorie de la façon dont les quarks interagissent les uns avec les autres est connue sous le nom de chromodynamique quantique, appellation qui fait pendant à celle d'électrodynamique quantique donnée à la théorie de l'interaction entre particules chargées électriquement. La couleur est à la force forte ce que la charge électrique est à la force électromagnétique. Mais alors que la charge électrique ne peut prendre que deux valeurs (+1 et -1), la couleur peut en prendre trois : le rouge (R), le vert (G pour green) et le bleu (B). Les antiquarks ont trois valeurs que nous appelons antirouge ou cyan (), antivert ou magenta () et antibleu ou jaune () par analogie avec ces couleurs secondaires visibles. En électrodynamique quantique, on dit que chaque quark porte une charge de couleur, analogue à une charge électrique. La force forte entre les quarks est souvent appelée force de couleur.

Ces noms ont été choisis de sorte, que par analogie avec les  couleurs visuelles, la combinaison de trois couleurs primaires ou la combinons d'une couleur et son complémentaire, sont vue par l'oeil comme du blanc. Entendons bien que les couleurs ici ne sont que des étiquettes : les quarks ne sont pas réellement colorés. La couleur des quarks n'a rien à voir avec que nous ressentons avec la lumière visible, mais ses propriétés sont analogues à celles de trois couleurs primaires et de trois couleurs secondaires : lorsqu'une particule combine un quark rouge, un quark vert et un quark bleu (baryon), on pourra dire qu'elle est incolore, ce qui pour la charge forte correspond à la neutralité pour la charge électromagnétique. 

Les hadrons sont incolores... pas les gluons.
Le confinement des quarks, en termes de couleurs, s'exprime en disant que les quarks qui se lient pour former des hadrons (baryons et mésons) doivent toujours être tels que leur composé soit incolores (on dit aussi de couleur neutre ou blanc). Ainsi, un baryon doit contenir un quark rouge, bleu et vert. De même, un méson contient une paire de quark antirouge, bleu-antibleu ou vert-antivert. Ainsi, deux quarks peuvent être trouvés dans le même état de spin dans un hadron, sans violer le principe d'exclusion de Pauli, car leurs couleurs sont différentes.

Les gluons, les particules de champ médiatrices de l'interaction forte, sont, comme les photons, des particules sans masse et de spin 1. Mais ces deux types de particules diffèrent grandement sur d'autres points. On sait que le photon, médiateur de la force électromagnétique entre particules chargées électriquement ne porte pas lui-même de charge. Deux des huit gluons sont dans une situation similaire : ils ne portent pas de charge de couleur (ils sont incolores), mais les six autres sont, eux, porteurs chacun d'une couleur et d'une anticouleur. Autrement dit, les gluons sont sensibles à l'interaction forte comme les quarks. Cela complique sensiblement la chromodynamique quantique.

Tétraquarks et pentaquarks.
Des particules incolores à quatre quarks (tétraquarks) ou à cinq quarks (pentaquarks) sont également prévues par la théorie. Il semble que certaines de ces particules, à l'existence excessivement fugace, aient déjà été observé . En mars 2021, par exemple, le CERN a publié la découvert par le LHC de deux tétraquarks  et ; les premiers candidats tétraquarks et pentaquarks on été découverts au Japon en 2003. Il  est possible cependant que ces détections correspondent plutôt de sorte de «-molécules » de type méson-méson (2 +2) ou méson-baryon (2 + 3). 

L'unification des forces

Un des principaux sujets d'étonnement lorsqu'on étudie la physique est que l'immense multiplicité des phénomènes connus peut être ramenée en dernière analyse à l'action de seulement quatre forces fondamentales. Mais il est peut-être possible d'aller plus loin et d'imaginer que ces quatres forces ne sont que les expressions d'une force unique qui se manifesterait à très haute énergie. 

Si l'on excepte la gravitation, les autres trois forces - celles qui sont abordées en termes quantiques - sont aujourd'hui comprises au sein d'un même cadre théorique général (celui des théories de jauge).  Il n'est pas absurde de penser qu'une théorie de jauge « plus grande » puisse « contenir » les théories existantes et rendre compte des différentes d'interactions observées à partir d'un seul principe. 

L'effort de la physique vise au même objectif depuis les spéculations des anciens Grecs sur la matière (La matière dans l'Antiquité, les Présocratiques), déjà à la recherche d'un principe (archè) susceptiple de rendre compte de la multiplicité des phénomènes. La science moderne, qui a tardé à se constituer, a fini par produire, grâce aux Galilée, Newton, Faraday, etc., les outils conceptuels capables d'aller plus loin. Ainsi, a-t-il fallu attendre les travaux de James Clerk Maxwell (1831-1879) pour que soient réunis dans dans un même cadre théorique l'électricité et le magnétisme, qui correspondaient auparavant à deux ordres de phénomènes différents. Au début du XXe siècle, la relativité restreinte d'Einstein a permis de comprendre les raisons physiques profondes qui rendaient possibles cette unification. Avec la réécriture en termes quantiques de l'électromagnétisme et la découverte des deux forces nucléaires pouvant se formuler dans une même langue, recourant à aux mêmes concepts physiques et mathématiques, il est devenu tentant de chercher  s'il n'était pas possible de fondre à l'intérieur d'une théorie unique toutes les forces fondamentales.

Un argument supplémentaire apparaît lorsqu'on compareles  intensités intrinsèques des différentes forces. Ces intensités sont mesurés par un paramètre propre à chaque théorie et appelé la constante de couplage. On sait ainsi  que la force électromagnétique est 10-2 fois plus faible que la force forte; la force faible est 10-13 fois plus faible que cette dernière, et  la force gravitationnelle est 10-38 fois plus faible. Mais ces ordres de grandeurs ne valent qu'aux échelles d'énergie qui caractérisent l'univers actuel. Dans les accélérateurs de particules, des énergies beaucoup plus élevées peuvent être atteintes, correspondant aux températures qui régnaient dans les premières fractions de seconde après le début de l'expansion cosmique. Or, on constate alors que plus la distance sondée est petite, plus la température est élevée, plus l'énergie impliquée est grande, et plus les constantes de couplage caractérisant chaque force, loin d'être de vraies constantes, tendent à converger vers une valeur unique. Les technologies actuelles ne permettent pas d'atteindre les conditions où elles pourraient se confondre. Mais, ici encore, il n'est pas absurde de supposer qu'à une époque très précoce de l'histoire cosmique, une unique constante de couplage rendait les différentes forces indiscernables. Dans une telle situation, tous les phénomènes peuvent s'expliquer comme les effets de l'action d'une force unique, d'un unique principe d'interaction.

La théorie électrofaible.
La théorie qui unifie l'électromagnétisme (reformelé dans le cadre de la l'électrodynamique quantique) et l'interaction faible a été développée dans les années 1960 par Steven Weinberg (né en 1933), Sheldon Glashow  (né en 1932) et Abdus Salam  (1926-1996). Cette théorie, dite théorie électrofaible,  postule que les interactions faible et électromagnétique ont la même intensité lorsque les particules impliquées ont des énergies très élevées. Les deux interactions sont considérées comme des manifestations différentes d'une seule interaction électrofaible unificatrice. 

La théorie électrofaible faisait de nombreuses prédictions concrètes, mais la plus spectaculaire a été peut-être la prédiction des masses des particules porteuses de la force faible, les bosons  W+, W– et Z0 , qui devaient être d'environ 82 GeV/c² et 93 GeV/c², respectivement. En 1983, ces particules ont éffectivement été observées au CERN avec les caractéristiques attendues (masses, spin, etc.). Cette découverte expérimentale, a valu le prix Nobel 1984 aux chefs de l'expérience, Carlo Rubbia (né en 1934) et Simon van der Meer (1925-2011). Les théoriciens Weinberg, Glashow et Salam avaient déjà reçu en 1979 le prix Nobel  pour leurs travaux.

Le boson de Higgs.
Une question des questions laissées en suspens par la théorie était de savoir pourquoi, des différents médiateurs de l'interaction électrofaible, le photon est sans masse, contrairement aux bosons W et Z. En raison de cette différence de masse, aux basses énergies les forces électromagnétiques et faibles sont assez différentes mais à très hautes énergies (disons au-delà de d'énergies de l'ordre de 100 GeV), elles se ressemblent, lorsque l'énergie au repos est négligeable par rapport à l'énergie totale. le Z0 en particulier ressemble au photon de spin 1 sans masse et sans charge. En fait, il y a suffisamment d'énergie lorsque les choses sont poussées à des distances encore plus petites (soit à des énergies plus élevées) pour les transformer , et Z0 en particules porteuses sans masse plus similaires aux photons et aux gluons. 

Le comportement lorsque l'on passe des énergies supérieures aux énergies inférieures est connu sous le nom de brisure de symétrie, car les forces sont similaires, ou symétriques, aux hautes énergies, mais sont très différentes aux basses énergies.   A partir des énergies de repos des bosons W et Z qui ne sont pas égales à zéro, se pose la question de l'origine des masses des particules. Pour résoudre ce problème, un mécanisme capable  de briser la symétrie électrofaible a été proposé dès 1964 par Robert Brout (1928-2011), puis approfondi principalement par François Englert (né en 1932) et  Peter Higgs (né en 1929). Ce mécanisme impliquait l'intervention d'un champ d'un genre nouveau, associé à une particule connue aujourd'hui sous le nom de boson de Higgs (une appellation qui, en toute justice, aurait du se référer à Brout, si une erreur de date, entérinée par d'autres, n'avait pas été commise par S. Weinberg dans un article sur le sujet...).

Le modèle standard modifié comprend le boson de Higgs, qui fournit une explication logique et cohérente de la masse des bosons W et Z. Il est possible, de plus, que la masse de toutes les particules massives puisse être comprise comme l'effet de leur interaction avec  le champ de Higgs.

• On qualifie le boson de Higgs de boson scalaire. Cela tient à la nature du champ qui lui est associé ; un champ scalaire est un champ dont la valeur qu'il prend en chaque point de l'espace est un simple nombre (= scalaire).
Les expériences au LHC (Grand collisionneur de hadrons) du CERN ont présenté en 2012 des preuves d'un boson de Higgs d'une masse de 125 à 126  GeV, et il y a une possibilité d'une découverte directe en 2012. Cette découverte, confirmée l'année suivante, a assis la validité de la théorie électrofaible. Les deux des théoriciens du mécanisme de la brisure de symétrie électrofaible encore vivants (Englert et Higgs) ont réçu le prix Nobel de physique dès 2013.
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La grande unification.
Reste encore à unifier la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible. Une théorie répondant à cet objectif est appelée  théorie de grande unification (une théorie plus ambitieuse encore rallierait à ce schéma la gravitation). L'unification de la force forte est attendue à des énergies si élevées qu'elle ne peut pas être testée directement, seules des conséquences observables à relativement basse énéergie peuvent être espérées.

Les théories supersymétriques.
La supersymétrie, développée par Bruno Zumino (né en 1923) et Julius Wess (1934-2007), prédit qu'à des énergies très élevées (de l'ordre de 1016 GeV), il existe des interactions qui transformeraient les fermions en bosons et vice versa, et que chaque fermion connu aurait un boson partenaire supersymétrique, ou superpartenaire, de même masse.

Ainsi, pour chaque quark (un fermion), il y aurait un squark (un boson) ou quark «-supersymétrique ». Pour chaque lepton, il y aurait un slepton. De même, pour chaque boson de force connu (photons et gluons, par exemple), il y aurait un fermion supersymétrique (photinos et gluinos). 

Les particules supersymétrique sont des candidates pour la « matière sombre » de l'Univers. Mais pourquoi cette composante matérielle majoritaire de l'Univers n'a-t-elle pas été détectée? Il faut probablement  admettre que les particules supersymétriques sont beaucoup plus massives que leurs homologues conventionnelles, peut-être trop massives (masses  typiquement de l'ordre du Tev (1 téraélectronvolt = 1012 eV) pour être produites dans les accélérateurs actuels. La recherche de particules supersymétriques est cependant déjà au programme des travaux du LHC.

• Puisque dans les théories supersymétriques les fermions peuvent se transformer en bosons, le nombre baryonique n'est pas conservé. Il s'ensuit que la survie du proton n'est plus garantie. Il pourrait se désintégrer par exemple selon le schéma : 0 + e+, qui violerait ainsi à la fois la loi de conservation du nombre baryonique B et celle de conservation du nombre leptonique . À l'heure actuelle, une telle désintégration n'a jamais été observée et tout ce que l'on peut dire, sur la base d'observations expérimentales, c'est que les protons ont une durée de vie d'au moins 1033 ans (pour mémoire l'âge estimé de l'univers n'est que de 1010 ans).
Si rien n'interdit la désintégration du proton, alors elle devient, à terme, nécessaire. Cela signifie que toute la matière ordinaire de l'univers est condamnée à disparaître : un avenir de l'univers à ajouter à ceux qu'envisage la théorie du big bang.
• Les théories supersymétriques prévoient en outre toutes l'existence d'une classe de  particules spéciales, appelées axions (l'axion proprement dit et d'autres particules qui lui sont apparentées), qui y jouent un rôle dans ces théories analogue d'un certain point de vue avec le rôle joué par le boson de Higgs dans la théorie électrofaible. Les axions ont ceci d'intéressant (s'ils sont présents en masse dans l'univers) de pouvoir interagir avec les photons du milieu intergalactique et donc de manifester ainsi leur existence. Des recherches actives sont menées actuellement pour détecter les indices de telles interactions. 
La production de particules supersymétriques en laboratoire, l'observation de la désintégration du proton ou la détection d'effets, à l'échelle des amas de galaxies, des axions sur les photons constitueraient une avancée considérable dans la validation de l'hypothèse supersymétrique.

En associant la supersymétrie à la relativité générale on obtient une nouvelle théorie quantique de la gravitation (la supergravité ou supergravitation, élaborée dans les années 1970), dans laquelle le  graviton, qui transmet la force de gravitation, a pour partenaire, le gravitino. La théorie de la supergravité conduit à envisager un espace à 11 dimensions. Mais cette approche semble encore plus plus productive dans le cadre d'un nouveau type de théorie, les théories des supercordes, qui change radicalement l'idée qu'on s'est faite jusqu'ici de la notion de particule.

Les supercordes
Les énergies et les distances auxquelles la gravité est censée s'unifier avec les autres forces ont encore plus extrêmes. A l'heure actuelle, les théories les plus prometteuses capables de réaliser l'unification  de la gravitation et des autres forces conduisent à renoncer à l'idée que les particules fondamentales sont des objets ponctuels; elles seraient plutôt des objets unidimensionnels, appelés cordes ou, mieux, pour rendre compte de leurs propriétés dites supersymétriques, supercordes.  Les fondements de ces théories ont été jetés dès 1974 par Joël Scherk (1946 -1980) et John Henry Schwarz (né en 1941) : elle ont connu depuis de nombreux perfectionnements, surtout à partir de la seconde moitié des années 1990.

Une corde ou une supercorde se présente comme un petit segment linéaire possédant deux extrémités, ou comme une boucle fermée, cela dépend des théories. Dans tous les cas, ces objets doivent avoir des longueurs de l'ordre de 10-35 m ( = longueur de Planck) et vibrer selon un modèle d'ondes stationnaires. Chaque mode de vibration quantifié d'une corde correspond à une particule élémentaire différente du modèle standard. On pourrait alors dire que chaque particule est une note différente sur une petite corde tendue - la tension de la corde étant ici le paramètre clé. Il n'y a plus de multiples espèces de particules : elles sont toutes remplacées par une seule sorte de corde. il n'y a qu'un seul type de corde. 

L'un et le multiple.
Pour rendre compte de la diversité des particules connues à partir d'une seule entité, il faut non seulement jouer sur la tension des cordes, mais aussi, comme dans le cas de la supergravité,  sur les dimensions de l'espace dans lequel elles vibrent. Les cinq théories des cordes aujourd'hui élaborées envisagent ainsi toutes l'existence de dimensions spatiales s'ajoutant aux trois dimensions spatiales que nous connaissons. Le nombre total des dimensions spatiales requises (de 10 à 26) dépend ici encore de la théorie des cordes concernée. L'une d'elles (l'héritière directe de la supergravitation) a besoin de faire l'hypothèse d'une espace à 11 dimensions. Sept d'entre elles seraient enroulées sur elles-même à l'échelle de Planck, soit sur des distances trop petites pour nous être accessibles, et les trois autres (en même temps que la dimension temporelle de l'espace-temps) auraient commencé à se dérouler au début de l'histoire cosmique, donnant alors lieu à ce qu'on désigne comme l'expansion de l'univers. 

La théorie M  et ses avatars.
Les perspectives ouvertes, d'abord par la supergavitation, puis par les théories des cordes, ont quelque chose de grisant, tant l'ouverture à des dimensions supplémentaire offre des possibilités inédites. La théorie M, proposée en 1995 par Edward Witten, qui se veut une forme de synthèse (qui s'en tient aux 11 dimensions de la supergravitation) des différentes théories des cordes en même temps qu'une extension de leurs postulats, envisage des entités non plus seulement linéaires, comme les cordes, mais à deux dimensions, appellées membranes. On a là le point de départ de nouvelles pistes reposant sur la notion de brane (le mot est extrait de celui de membrane). On parle de p-branes selon les dimensions de ces entités. Une corde ouverte (entité unidimensionnelle possédant deux extrémités), peut se greffer par ses deux extrémités à une même p-brane ou se relier par chacune de ses extrémités à deux p-branes différentes. Une 0-brane est l'entité ponctuelle qui se réduit à l'extrémité d'une corde, une 1-brane est une entité linéaire sur laquelle vient se greffer l'extrémité d'une corde, une membrane est une 2-brane (entité bidimensionnelle) à laquelle s'attache par l'une ou par les deux de ses extrémités une corde , etc. 

Reste encore à ces théories hautement mathématiques et peu contraintes par l'expérience à prouver qu'elles disent aussi quelque chose du monde physique. Les scientifiques aimeraient notamment savoir si et combien de dimensions spatiales supplémentaires existent, et aussi comment et pourquoi elles sont cachées. Ils espèrent que indications indirectes pourront être fournies par le LHC ou ses successeurs immédiats.



François Vannucci, Le vrai roman des particules élémentairesDunod, 2010. - Etienne Klein, Sous l'atome les particules, Flammarion, 1993. 

Philippe Miné, A la découverte de l'antimatière, Ellipses Marketing, 2010. 

Gabriel Chardin, L'antimatière : La matière qui remonte le temps, Editions le Pommier, 2010. - Apparue avec la découverte de la structure de la matière, la notion d’antimatière soulève quantité d’interrogations. Pourquoi la Nature a-t-elle créé un monde miroir du nôtre? Pourquoi en a-t-on perdu la trace? Dans cet ouvrage qui fait référence, Gabriel Chardin nous aide à approcher cette « matière qui remonte le temps » ! La rencontre des mondes de matière et d’antimatière amènerait à une conflagration d’une extrême violence et à l’élimination totale d’au moins un des protagonistes ! Ce scénario catastrophique est heureusement irréaliste car l’antimatière ne peut exister dans notre voisinage qu’en très faibles quantités! Mais que savons-nous de cet étrange élément? L’Univers contient-il autant de matière que d’antimatière? Où donc est passée toute l’antimatière qui était présente au début de l’Univers? (couv.).

Principales sources de cette page : S.J. Ling et al, University physics, vol. 3, 2018; I. Lyublinkaya et al., College Physics, 2017; R Serway et C. Vuille, College physics, vol. 2, 2012; R. Serway et J. Jewett, Physics for scientists and engineers, vol. 2, 2008; D. Giancoli, Physics for scientists and engineers, vol. 2, 2008.

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