Introduction

La physique des particules étudie le monde de l’infiniment petit en essayant de comprendre de quoi nous et le reste de l’univers sommes constitués. Elle tente ainsi de décrire ces blocs fondamentaux qui forment l’ensemble de la matière autour de nous : les particules élémentaires.

Premier arrêt : la molécule !

La plus grande poupée russe que nous allons considérer dans la nature c’est la molécule. Tous les objets qui nous entourent sont constitués de molécules. Il existe de petites et de grosses molécules. Par exemple, les chromosomes, porteurs de l’information génétique de chaque organisme vivant, sont composés d’ADN (Acide DésoxyriboNucléique), molécules particulièrement longues.

Photographie d’une molécule d’ADN à l’aide d’un microscope électronique

Science 229, 171 (1985); copyright AAAS

Deuxième arrêt : l’atome !

En y regardant de plus près, chaque molécule est composée d’un ensemble d’atomes. Par exemple l’eau, également nommée H₂0 est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Ces atomes peuvent être vus comme des billes collées les unes aux autres.

Nous connaissons énormément d’atomes qui sont repris et classés dans le tableau de Mendeleïev. Par exemple la molécule d’oxygène 0₂ présente dans l’air est composée de deux atomes… d’oxygène (les atomes n’aiment pas rester seuls). De même, l’azote, le carbone ou encore l’hélium sont des molécules composées des atomes du même nom. En assemblant différents types d’atomes, nous obtenons différentes molécules qui se comportent différemment. Un atome de carbone et deux atomes d’oxygène forment le fameux dioxyde de carbone communément appelé C0₂. Étant donné qu’il existe une large variété d’atomes, il existe également un très grand nombre de molécules.

Il est tout de même étonnant que nous puissions si bien structurer les atomes dans le tableau de Mendeleïev. Ceci laisse à penser qu’il existe un niveau inférieur à celui des molécules et des atomes qui permettrait de construire ceux-ci. Faisons une analogie avec le dictionnaire. Dans un dictionnaire, les mots sont tous bien classés. Ceci est du au fait que chaque mot est composé de lettres et que nous avons défini des règles entre celles-ci : le A vient avant le B, … Ainsi, la manière dont sont disposés les mots, par ordre alphabétique, est définie par les lettres qui les composent. Il est donc légitime de se demander s’il n’existerait pas quelque chose qui compose les atomes et qui définirait la manière dont ceux-ci sont disposés dans le tableau de Mendeleïev.

Tableau périodique des éléments de Mendeleïev

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Troisième arrêt : le noyau et les électrons !

C’est le physicien Ernest Rutherford qui prouva expérimentalement en 1909 que les atomes sont formés d’un noyau chargé positivement autour duquel gravitent des électrons chargés négativement, ces derniers ayant été découverts en 1897 par le physicien anglais Joseph John Thomson.

L’image classique que l’on donne de l’atome est que le noyau très lourd se situe en son centre et que les électrons plus légers gravitent autour de celui-ci à la manière de planètes autour d’une étoile. Mais ne nous arrêtons pas là !

Représentation d’un atome avec son noyau (rouge) autour duquel orbitent des électrons (bleu)

Quatrième arrêt : les protons et les neutrons !

En nous intéressant de plus près au noyau, nous constatons que celui-ci est formé de protons chargés positivement et de neutrons sans charge, deux nouvelles particules. C’est donc la quantité de protons, de neutrons et d’électrons qui détermine la nature de l’atome qu’ils forment car tous les atomes ont une quantité différente de protons et de neutrons. Soudainement, l’atome est composé de trois types de particules différentes : les protons et les neutrons au centre et les électrons en périphérie.

Mais les scientifiques sont curieux et poussent toujours plus loin leurs recherches. Et pour cause, durant le 20^e siècle, les physiciens des particules ont découvert un grand nombre de nouvelles particules ressemblant au proton et au neutron. Et à nouveau, ils furent capables de les classer à la manière des atomes dans le tableau de Mendeleïev.

Le noyau de l’atome a lui aussi une structure. Il est formé de protons (orange) et de neutrons (vert)

Au niveau de l’atome, nous avons donc trois types de particules élémentaires : un électron et deux quarks (voir Les particules : un mélange de LEGOs et de poupées russes). Mais pour s’assembler, ces particules doivent s’attirer et communiquer entre elles, autrement celles-ci resteraient éternellement solitaires et aucune structure complexe n’existerait. Il est donc nécessaire que des interactions existent entre les particules. Ceci est le deuxième sujet qu’étudie la physique des particules : les interactions fondamentales.

« Fondamentales » car elles permettent de décrire à elles seules l’ensemble des phénomènes physiques observés.

Elles sont au nombre de quatre :

1. la force gravitationnelle,
2. la force électromagnétique,
3. la force faible
4. et la force forte.

La force gravitationnelle

Elle est responsable de l’attraction entre deux corps massifs. Ainsi, elle explique pourquoi nous sommes attirés par la terre et ne pouvons nous envoler librement dans l’espace ou encore pourquoi la pomme tomba sur la tête d’Isaac Newton. Elle décrit également la rotation de la terre autour du soleil et une myriade d’autres phénomènes à de grandes échelles.

La force gravitationnelle fait s’attirer les planètes et le soleil

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La force électromagnétique

La force électromagnétique décrit les phénomènes électriques et magnétiques. Ces phénomènes sont nombreux et facilement observables par tout un chacun. Il s’agit par exemple du fonctionnement de la boussole qui indique toujours le nord magnétique ou du moteur électrique. La force électromagnétique permet également d’expliquer les phénomènes se passant au cœur des orages. Mais la force électromagnétique explique également des phénomènes plus fondamentaux comme le fait que les électrons soient attirés par noyau.

L’électromagnétisme permet d’expliquer la formation des éclairs

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Les forces faibles et fortes

Elles sont moins connues du grand public car nous ne les ressentons pas au quotidien. Alors que les effets des forces gravitationnelles et électromagnétiques sont clairement visibles à notre échelle, les forces faibles et fortes opèrent à des échelles atomiques.

La conséquence la plus connue de la force faible est la radioactivité. Lorsqu’un élément radioactif se désintègre afin de laisser place à d’autres éléments, cette désintégration s’opère à travers la force faible. La force forte quant à elle maintient le noyau atomique en place en créant des liens forts entre les nucléons (protons et neutrons).

La force faible est responsable de la désintégration des noyaux radioactifs

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Nous avons donc quatre forces fondamentales : la force gravitationnelle qui intervient à de grandes échelles (échelle de la terre et au delà), la force électromagnétique qui agit à des échelles intermédiaires (de l’atome à notre taille) et les forces faibles et fortes qui jouent un rôle important au niveau microscopique (taille de l’atome et du noyau).

Lorsque nous, êtres humains, communiquons par la parole, nous utilisons un moyen pour ce faire qui est le son. En échangeant des mots, nous arrivons à nous comprendre et ainsi à interagir. Mais comment cela se passe-t-il au niveau des particules élémentaires ? Nous savons que des forces agissent entre-elles, mais comment ?

Tout comme nous échangeons du son pour communiquer, les particules élémentaires échangent… des particules élémentaires. Il existe en effet certaines particules porteuses de forces ou d’interactions qui permettent aux particules de matière d’interagir. Nous n’approfondirons pas ici cette notion mais y reviendrons par la suite lorsque nous parlerons de la théorie quantique des champs.

Donnons néanmoins un exemple. Il vous est possible de lire l’écran de votre ordinateur car celui-ci vous envoie de la lumière. En anticipant sur la suite, nous savons que cette lumière est composée de petites particules : les photons. Votre écran émet donc des photons qui voyagent jusqu’à vous et qui sont finalement absorbés par la rétine de votre œil. C’est en échangeant des photons avec l’écran que vous arrivez à lire ce qu’il affiche. Si vous éteignez votre écran, celui-ci n’émettra plus de photon et vous ne pourrez plus interagir avec lui.

C’est donc l’échange de particules élémentaires porteuses de forces qui permet aux autres particules élémentaires de matière de communiquer.

En plus de l’électron, du quark u et du quark d, il existe une particule élémentaire supplémentaire : le neutrino. Le neutrino est une particule difficile à identifier mais qui joue un rôle majeur dans les réactions nucléaires.

Nous avons donc cité quatre particules élémentaires : un électron, un neutrino et deux quarks. Ces particules forment une génération, la première génération. Il existe deux générations supplémentaires de particules qui sont des copies de la première génération, mais plus massives. Ces particules étant plus massives et instables, elles ont tendance à rapidement se désintégrer et à se transformer en des particules plus légères de première génération, que nous observons quotidiennement.

À ces douze particules (trois générations de quatre particules élémentaires) viennent s’ajouter les particules qui sont les messagers des interactions fondamentales et qui sont au nombre de cinq et de quatre types différents : le photon pour la force électromagnétique, le gluon pour la force forte et les bosons Z et W pour la force faible. La force gravitationnelle n’est à l’heure actuelle pas encore reprise dans le modèle. Au total nous avons dix-sept particules élémentaires.

Nous connaissons 17 particules élémentaires dont les quarks, l’électron et le photon.

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Mais ce n’est pas tout ! Il existe également quelque chose de très étrange qui s’appelle l’antimatière. L’électron, le neutrino et les quarks ont une antiparticule. Celle-ci est l’inverse parfait de la particule associée hormis la masse qui reste identique.

En considérant l’antimatière, nous sommes passés de dix-sept à vingt-neuf particules élémentaires étant donné que les particules messagères n’ont pas d’antiparticules associées.