Imprimer l'articleLes interactions : le ciment des briques
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.
Pourquoi « élémentaires » ?
Comme nous le verrons par la suite, ces particules ressemblent un peu à des briques de LEGO qui peuvent s’assembler et former des structures plus grandes et plus complexes. À notre connaissance, celles-ci sont indivisibles et ne sont pas formées de particules plus petites, d’où le caractère « élémentaire ». Il n’est cependant pas exclu qu’un jour, nous trouvions des composants encore plus petits et que dès lors nous devrions redéfinir quelles particules nous considérons comme « élémentaires ».
Les particules élémentaires sont comme des LEGOs qui s’assemblent pour former de plus grandes structures
Donc mon ordinateur est fait de particules élémentaires ?
Oui, d’un très grand assemblage de particules élémentaires dont la structure a été découverte par les physiciens petit à petit au fil du temps. La matière est un peu comme un jeu de poupées russes. Ouvrez une poupée et vous en trouverez une autre, jusqu’à atteindre la dernière qui ne peut pas être ouverte et peut donc être vue comme « élémentaire ».
En regardant la matière de plus près, nous nous apercevons qu’elle est elle même composée de particules plus petites, telles des poupées russes
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 www.periodini.com
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 20e 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)
Cela veut-il dire que les protons et les neutrons ont en réalité une sous-structure ? Qu’ils sont eux-mêmes composés de particules plus petites ? Terminus : les quarks !
Oui effectivement, le proton et le neutron ont bien une sous-structure : les quarks, désignés comme la poupée russe indivisible, notre terminus. Les protons et neutrons sont composés de trois quarks pour être précis. Il existe le quark u pour « up » et le quark d pour « down ». Prenez deux quarks u et un quark d et vous obtenez un proton. Combinez un quark u et deux quarks d et vous avez un neutron.
Les molécules sont composées d’atomes, eux-mêmes formés d’un noyau placé au centre et d’électrons orbitant autour de celui-ci. Le noyau est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes constitués de quarks.
A leur tour, les protons et neutrons sont composés de petites particules : les quarks the-history-of-the-atom.wikispaces.com
Une petite question de terminologie : si le proton et le neutron sont composés de quarks, peut-on encore les nommer « particules » ?
Oui tout à fait, mais pas « élémentaires » ! Prenez votre ordinateur par exemple. Vous allez en parler en tant qu’objet : l’ordinateur, car quand vous le manipulez il agit comme un tout. Vous n’allez pas dire qu’il s’agit de l’assemblage de composants électroniques qui se trouve sur votre bureau en décrivant individuellement chaque pièce. Il en va de même pour le proton. Etant donné qu’il se comporte comme un objet lorsque nous le manipulons, nous pouvons parler de particule. Mais seuls les quarks et l’électron seront des particules élémentaires.
