Les particules élémentaires.pdf | Particule élémentaire | Atomes\nLes particules élémentaires.pdf\nEnregistrerEnregistrer Les particules élémentaires.pdf pour plus tard\n962 vues57 pages\nMarleau.physique Des Particules\nCours de Mécanique Quantique Tome III\nDidier Lauwaert. Copyright 2013.\nI. Introduction II. Latome II.1. Dcouverte des atomes\nDfinition ; Antiquit ; La chimie ; Le mouvement brownien ; Voir les atomes\nLes charges lectriques ; Llectricit ; Magntisme ; Les ractions chimiques ; Diode ; Radioactivit\nLa partie de charge positive de latome ; Les masses des atomes ; Radioactivit\nII.4. Structure de latome\nLatome de Thomson ; Latome de Rutherford\nII.5. Le neutron\nDcouverte du neutron ; Interaction forte ; Les isotopes ; La particule alpha\nIII. Le photon III.1. Le champ lectromagntique\nChamps lectriques et magntiques ; Mouvements et variations ; Solution ondulatoire ; Le spectre lectromagntique\nIII.2. Leffet photo-lectrique\nSchma exprimental ; Exprience ; Rsultat en faisant varier lintensit ; Rsultat en faisant varier la frquence des UV ; Interprtation ; Photons\nIII.3. Diffusion Compton\nDescription ; Boules de billard\nIV. Complter la petite famille IV.1. Le neutrino\nRadioactivit bta ; Spectre de lmission ; Le neutrino ; Dcouverte\nIV.2. Fermions et bosons\nFermions ; Bosons ; Le spin ; Fermions et atomes ; Laser ; Moment magntique ; Spin et statistique\nImpulsion ; Version relativiste ; Energies ngatives ; La mer de Dirac ; Antilectron ; Antimatire ; Positronium\nIV.4. Un premier panorama\n### tableau, fermions, bosons, matire, antimatire, charges, spins , masses\nV. Des dcouvertes la pelle\nLes acclrateurs de particules ; Toujours plus grand ; Rsultats\nV.1. Des lectrons lourds\nLe muon ; Le tau\nV.2. Les msons\nLe mson de Yukawa ; De nouvelles particules ; Dautres proprits\nV.3. Les baryons V.4. Le modle octet\nModle des quarks ; Modle octet ; Particules charmes\nV.5. Un second panorama\nParticules lmentaires ; Msons ; Baryons\nVI. Les interactions VI.1. Echange de particules\nLa thorie quantique des champs ; Interactions ; Echange de particules ; Exemple du photon ; Charges\nVI.2. Linteraction faible\nLe modle lectrofaible ; Bosons intermdiaires ; Dsintgration bta\nVI.3. Linteraction forte\nModle de linteraction forte ; Confinement ; Couleurs ; Echange de gluons ; Interaction nuclaire\nVII. La famille au grand complet VII.1. Les neutrinos\nTrois neutrinos ; Lnigme des neutrinos solaires ; Oscillation des neutrinos ; Masse des neutrinos ; Hlicit\nVII.2. Complter les quarks VII.3. Un dernier panorama VIII. Un dernier venu\nLa masse des particules ; Dcouverte\nIX. Un grand absent\nUne quatrime interaction fondamentale ; Quantification de la gravit ; Le graviton\nLa dcouverte des particules lmentaires et le Modle Standard qui les rassemble constitue une trs belle russite du vingtime sicle. Leur histoire allant de dcouvertes en dcouvertes est extrmement passionnante. Nous allons donner dans cette petite tude un panorama de lensemble des particules, de leurs proprits et leurs dcouvertes. Nous ne suivrons pas strictement un chemin historique, certaines parties ntant pas dans lordre. Nous avons choisi de prsenter lensemble particule par particule (ou groupe de particules) pour plus de clart. Nous ne prsenterons pas les thories telles que la mcanique quantique ou la thorie quantique des champs, , si ce nest quelques lments en passant pour expliquer telle ou telle proprit.\nII. Latome II.1. Dcouverte des atomes\nLatome est la plus petite quantit de matire portant encore lidentit de cette matire (ses proprits). Par exemple, loxygne est compos datomes doxygne. Si lon essaie de diviser un atome, on obtient des parties qui ne peuvent plus sidentifier avec la matire dorigine et qui, nous le verrons, sont communes toutes les sortes datomes. La matire se divise en : Elments simples composs datomes identiques, par exemple lhydrogne, loxygne, le carbone, le fer, Molcules, assemblages datomes. Par exemple leau compose doxygne et dhydrogne. Cela peut se vrifier en soumettant la matire compose divers processus de dcompositions physiques, thermiques, chimiques, jusqu obtenir des lments qui ne peuvent tre dcomposs en dautres lments. Ce travail a vraiment pris son essor et sa forme moderne avec les travaux de Lavoisier.\nLide de latome remonte lantiquit grecque avec Empdocle, Dmocrite, Leucippe, Epicure. Latome (du grec atomos) tait considr comme la plus petite partie constituante de la matire et indivisible. Ce concept fut ensuite propag pratiquement inchang jusqu la fin du dix-huitime sicle face lide concurrente dune matire continue et indfiniment divisible. Cette approche tait essentiellement philosophique et base sur lintuition. Il ntait pas trs difficile de limaginer car, aprs tout, cest juste une alternative : ou bien il y a un plus petit lment, ou il ny en a pas. Les philosophes attribuaient dailleurs des comportements et des proprits aux atomes bien diffrents de ce que lon appelle atome aujourdhui. Latome des grecs tait aussi diffrent de latome daujourdhui quune souris dun lphant.\nIl est vrai quils disposaient de peu dlments exprimentaux sur lesquels se baser pour confirmer ou rfuter leurs ides. Ainsi, la diffusion dune goutte dencre dans de leau ou de la fume dans lair sexplique plus facilement avec des atomes, chaque population datomes se mlangeant lautre.\nLe processus rel sexpliquant bien avec des atomes se heurtant de manire alatoire alors quun milieu parfaitement continu aurait tendance produire quelque chose comme limage de droite. Lide datomes fut dailleurs accepte avec plus ou moins de bonheur jusquau dbut du vingtime sicle car beaucoup de scientifiques avaient bien du mal accepter lexistence dune entit invisible ou tout au moins dont ils ne pouvaient avoir une mesure directe par lexprience. Le nombre de scientifiques convaincus allait malgr tout croissant.\nAvec la naissance de la chimie moderne, la fin du dix-huitime sicle, plusieurs dcouvertes permirent de donner plus de crdit la notion datome. Loi de conservation de la masse de Lavoisier. Dans toute raction chimique, la masse totale de matire au dbut de la raction est gale la masse totale la fin de la raction. Cela ncessite videmment de prendre en compte toutes les formes que peu prendre la matire : cendres et fumes dans la combustion, formation de rouille dans les processus doxydation, consommation doxygne dans les deux cas. Cela sexplique bien si lon a un nombre datomes fixs au dpart et qui se retrouvent la fin aprs de simple recombinaison des assemblages datomes. Loi des proportions dfinies de Proust. Dans une raction quelconque, les proportions en masse des lments qui interviennent sont toujours les mmes et se retrouvent dune raction lautre. Par exemple, pour former 36 grammes deau, il faut toujours exactement 4 grammes dhydrogne et 32 grammes doxygne. Pour former 64 gramme doxyde de soufre, il faut toujours 32 grammes de soufre et 32 grammes doxygne. Enfin, pour former 34 grammes de sulfure dhydrogne il faut 32 grammes de souffres et 2 grammes dhydrogne.\nLes proportions rencontres sont toujours des multiples simples, souvent entier, dune mme quantit des lments considrs. Cela sexplique fort bien si lon adopte lhypothse atomique, leau tant constitue de deux atomes dhydrogne et un atome doxygne (not H2O) avec un atome doxygne 16 fois plus lourd quun atome dhydrogne. Et de mme pour les autres molcules (SO2 et H2S cidessus). La relation est encore plus frappante avec la loi de Gay-Lussac. Elle sapplique aux gaz et affirme que dans toute raction chimique gazeuse, les proportions dlments et molcules qui interviennent sont toujours dans des rapports simples, mme pour des matire diffrente. Par exemple deux litres dhydrogne et un litre doxygne donne un litre de vapeur deau. Cela sexplique aussi trs bien si on dit quun atome, pression donne, occupe toujours le mme volume quel que soit latome. Cest Dalton qui le premier tudia cette possibilit en profondeur. Il commit fort peu derreur (par exemple, il est difficile de savoir que loxygne est en fait une molcule O2 compose de deux atomes car elle est difficile dcomposer) et lessentiel des formules de molcules quil trouva partir des donnes exprimentales est encore valable aujourdhui. Laccumulation des donnes, en particulier sur llectrochimie (nous verrons juste aprs) sont encore venues apporter des prcisions et des confirmations de cette approche. La physique aussi apporta des rsultats importants par la physique statistique : cest la dduction de proprits macroscopiques des corps (pression, volume, temprature, chaleur,) partir de lhypothse que la matire est compose datomes et de molcules anims de mouvement alatoire (ventuellement avec des contraintes due aux liaisons dans les solides).\nLorsque lon observe au microscope de leau contenant de minuscules particules, par exemple des grains de pollens, on constate que ceux-ci sont anims dun mouvement erratique.\nLes trajectoires sont composes de segments de droites alatoires. Cela sexplique parfaitement si l grain de pollen subit des collisions incessantes datomes trop petit pour tre visible mme au microscope. Einstein en 1905 publia un article o il tudiait les caractristiques de ces trajectoires en fonction de la taille des atomes et de la physique statistique.\nLes mesures exprimentales confirmrent ces rsultats avec prcision donnant aussi une valeur prcise du nombre datomes dans une certaine quantit de matire. Ce nombre, appel nombre dAvogadro, est le nombre datomes ou de molcules dans une proportion bien dtermine (proportionnelle aux proportions trouves en chimie) appele mole. Par exemple, une mole dhydrogne (H2) vaut deux grammes. Ce nombre est considrable et vaut ( est un un suivi de 23 zros). Soit plus de 600000 milliards de milliards datomes ou molcules. Cela implique que les atomes sont vraiment trs petits et donc explique pourquoi personne ne les avait encore vu directement. Associ dautres dcouvertes lies la radioactivit et la dcouverte de llectron, plus personnes ne doutait vraiment de lexistence des atomes.\nVoir les atomes\nAu vingtime sicle, la fabrication des microscopes effet tunnel ou force atomique permis de visualiser directement les atomes. Montrant sur une surface solide une succession de formes sphriques colles les unes contre les autres.\nLes charges lectriques\nLlectricit et le magntisme et certains de leurs effets taient connus depuis la plus haute antiquit. Mais ce nest qu partir du dix-septime sicle que des expriences de plus en plus nombreuses permirent de mieux comprendre ces phnomnes. Lorsque lon frotte une peau (peau de chat, peau de chamois) avec un bton en verre, en bonite ou avec de lambre, on observe la formation dlectricit statique. Celle-ci se manifeste de plusieurs manires : petites dcharges, lueurs dans le noir, attraction ou rpulsion de fines feuilles charges dlectricit statique. Notons en passant que le mot elektron en grec signifie ambre ! Pour mieux tudier ce phnomne, les physiciens mirent au point llectroscope.\nOn a un flacon en verre travers par une grosse tige en mtal. A lintrieur, lextrmit de la tige se termine par deux fines feuilles dor pouvant pivoter librement autour dun axe. Si lon touche la tige avec un bton pralablement charg dlectricit statique, on constate que les feuilles se repoussent. Ce type dexprience avec divers btons, divers procds pour avoir de llectricit, ont permis de constater que : Les charges lectriques peuvent se dplacer travers certains matriaux appels conducteurs, comme les mtaux. On constate lexistence de deux types de charges lectriques, notes positives (+) et ngatives (-). Les charges de mme signe se repoussent (comme les feuilles de llectroscope). Les charges de signes opposs sattirent. La quantit de charge est additive. Les charges de signe positif et de signe ngatif se neutralisent (si lon place la mme quantit de charges positives ngatives sur llectroscope, les feuilles restent immobiles). On a pu ainsi tablir une unit de mesure de quantit de charge lectrique appel le Coulomb du nom dun physicien ayant tudi ces effets et notamment mesur les forces dattractions et de rpulsions entre charges (en utilisant des boules charges, trs lgres, suspendues des fils).\nLexprience montre aussi lexistence du courant lectrique. Celui-ci peut tre produit par divers procds, comme avec de llectricit statique ou avec des piles lectriques.\nLexprience avec des lectroscopes montre que le courant est un flux de charges lectriques.\nLexprience montre aussi lexistence daimants, que ce soient des aimants naturels (magntite, pierre daimant) ou certains mtaux pralablement aimants. On peut visualiser les lignes daction du champ magntique laide de, par exemple, limaille de fer.\nOn constate lexistence de deux ples dits nord et sud. Deux ples de mme type se repoussent, deux diffrents sattirent. On constate aussi quun courant lectrique cre un champ magntique et quun champ magntique exerce une force sur un conducteur parcouru par un courant lectrique. Les deux phnomnes sont intimement lis.\nLes ractions chimiques\nLorsque lon fait passer un courant lectrique dans un milieu, il peut se produire des ractions chimiques. Par exemple, en faisant passer du courant dans de leau (sale pour quelle conduise le\ncourant), on a un dgagement dhydrogne une borne et doxygne lautre : leau est dcompose. Inversement, certaines ractions chimiques peuvent entrainer un dsquilibre de charges lectriques et engendrer un courant lectrique. Cest le principe des piles lectriques. Etant donn la nature atomique des molcules, il nest pas tonnant que les ractions chimiques entre molcules changent des multiples dune quantit de charge lmentaire. Cette charge lmentaire change fut appele lectron en 1891 par Johnstone Stoney.\nConsidrons le dispositif suivant.\nCe dispositif, aussi appel diode, est constitu dune ampoule de verre sous vide dans laquelle on trouve : Une cathode, porte une tension ngative et chauffe par une alimentation auxiliaire. Une anode relie une alimentation la portant un fort potentiel positif. Crookes dcouvrit quun fort courant lectrique circulait entre la cathode et lanode. La nature exacte de ce courant dans le vide de lampoule restait dcouvrir mais on le nomma rayons cathodiques. Les rayons cathodiques peuvent tre capts par diverses cibles : film photographique, plaque fluorescente, montrant clairement que lorsque le courant est trs faible les rayons cathodiques se comportent comme un flux de petites entits discrtes. Cest Joseph John Thomson en 1897 qui fit un grand nombre dexpriences avec ce dispositif. Il utilisa llectroscope pour montrer que ces rayons cathodiques taient bien constitus de charges lectriques ngatives. Il montra aussi que les rayons cathodiques taient dvis par des champs lectriques et magntiques et quils se comportaient de manire balistique (cest--dire comme un flux de petits projectiles). Ces petits corpuscules chargs dlectricit ngative furent appels des lectrons. Les expriences de ce type, ainsi que des expriences de chimie et des expriences consistant mesurer comment une petite goulette portant une seule charge lectronique tait dvie permirent de dterminer la charge lectrique et la masse de llectron : Charge : (le 19 veut dire quon divise 19 fois par 10, cela donne une charge vraiment petite, le C est pour Coulomb et le signe rappelle quil sagit dune charge ngative). Masse : kg. Cette valeur minuscule est mme mille fois plus petite que la masse dun atome.\nPar diverses expriences Thomson montra que les lectrons sont au sein de tous les atomes. On dcouvrit trs vite que le nombre dlectrons dans un atome est exactement gal la position de cet atome dans le tableau priodique des lments classant tous les atomes en fonction de leur masse et de leurs proprits chimiques. Ainsi, lhydrogne a un lectron, lhlium deux lectrons, etc. Un dficit (ou un excs) dlectrons donne un atome charg positivement (ou ngativement) appel ion. La masse de latome reste sensiblement le mme puisque llectron est beaucoup plus lger. Aprs avoir enlev tous les lectrons il reste une masse charge positivement (de mme grandeur que les lectrons arrachs mais positive).\nCertains atomes sont radioactifs. Cest--dire quils mettent des rayonnements en se transformant spontanment. Certains atomes mettent ainsi un flux dlectrons trs rapides appel rayonnement bta.\nLa partie de charge positive de latome\nLa partie massive positive de latome a une charge qui contrebalance exactement celle de llectron. Comme on a un nombre entier dlectrons par atome, on a donc aussi un nombre entier de charges lmentaires positives par atome. Il est donc tentant de dire que latome, ou du moins sa partie massive, est constitue dune particule de mme charge que llectron mais positive. Dans le cas de lhydrogne, cette particule unique constituant latome avec llectron fut appele proton par Ernest Rutherford en 1920. Cest ce qui reste de latome aprs avoir arrach son lectron. On obtient donc facilement des faisceaux de protons qui peuvent tre manipuls par des champs lectriques et magntiques, permettant ainsi de vrifier quils se comportent bien comme des particules individuelles. Cest ce qui est pratiqu couramment dans les acclrateurs conus pour acclrer des particules charges jusqu de grandes vitesses. Le masse et la charge du proton sont les suivants : Charge : . Masse : kg.\nLes masses des atomes\nSi lessentiel de la masse des atomes est constitu de protons, on devrait sattendre ce que sa masse soit gale la masse du proton fois le nombre de protons, cest--dire sa position dans le tableau priodique (on parle de masse atomique et de numro atomique). Par exemple, lhlium ayant deux lectrons et deux protons, devrait tre deux fois plus lourd que lhydrogne. Or, ce nest pas ce quon constate : il est quatre fois plus lourd. Il en est de mme des autres atomes, le rapport est proche dun nombre entier, mais jamais gal au numro atomique ni mme un multiple exacte de celui-ci. Cela laisse souponner quil y a autre chose dans latome. Nous y reviendrons.\nParmi les rayonnements radioactifs, on a aussi le rayonnement alpha dont on montra rapidement quil tait constitu datomes dhlium totalement ioniss (pas dlectron, que les deux protons et le quelque chose dautre ) extrmement rapides.\nLe moment est venu, sur base de ce que nous savons, de voir quelle peut bien tre la structure de latome.\nLatome de Thomson\nOn a donc une masse charge positivement de grande masse et de petites particules charges ngativement. Lide naturelle est alors latome imagin Thomson.\nOn a une grande masse charge positivement et des lectrons se baladant lintrieur. Cest le modle du pain fourr au raisins ou du brouillard charg positivement contenant des lectrons . Ce modle na jamais russi reproduire les donnes exprimentales et, en particulier, le fait que les atomes changent de lnergie lumineuse avec lextrieur seulement pour des frquences de la lumire bien prcises (spectre des atomes).\nLatome de Rutherford\nErnest Rutherford tait un trs grand exprimentateur qui navanait pas dhypothse ou de modle sans confirmation exprimentale. En 1911, il pratiqua lexprience suivante.\nIl envoya un flux de particules alpha (issues dun atome radioactif) sur une fine feuille mtallique. Les particules alpha sont dvies et rcoltes sur un dtecteur (un film photographique par exemple). Le rsultat quil trouva tait que trs peu de particules alpha taient dvies. Mieux, connaissant les dviations observes il put calculer la taille de ce qui dviait les particules alpha. Le rsultat tait que lon avait presque toute la masse de latome concentre dans une zone minuscule, plusieurs milliers de fois plus petite que latome ! Cela sexpliquait trs bien si : Les protons, contenant lessentiel de la masse de latome, taient concentrs dans un minuscule noyau en son centre. Les lectrons taient disposs autour. o Les lectrons tant quatre mille fois plus lger quune particule alpha, ils nopposent aucune rsistance au passage des particules alpha. Au pire ils se font jecter et la particule alpha continue tout droit. o Les lectrons placs autour maintiennent la cohsion des atomes entre eux et expliquent que la taille des atomes est beaucoup plus grande que la taille du noyau. On aboutit ainsi un modle de ce type :\nLatome ressemble un petit systme solaire. Une masse trs importante charge positive est au centre (les protons) et les lectrons tournent autour sur des orbites, comme les plantes le font autour du Soleil. Ici, lquivalent de la force de gravitation pour les plantes est la force lectrostatique attirant des charges de signes opposs (les protons attirent les lectrons). Ce modle navait quun dfaut, mais de taille. La thorie lectromagntique montre quune charge en rotation met un rayonnement continu tout en tombant en spirale. Toute matire devrait rayonner en permanence avec les lectrons tombant sur le noyau ! En 1913, Niels Bohr labora un modle mathmatique de ce type datome en postulant simplement que cela ne se produit pas (sacr tour de passe-passe) et en ajoutant une rgle (fort simple) pour le choix des orbites. Il russit ainsi reproduite parfaitement le spectre de latome dhydrogne. Aprs ce succs, ce modle progressa un peu mais pitina. Son approche par trop artificielle avec son tour de passe-passe en faisait un modle pratiquement mort-n. La mcanique quantique ne peut aprs, comme thorie complte et auto-suffisante, russit retrouver les rsultats de Bohr et bien plus, y compris montrer que les effets classiques tel que le rayonnement de la charge ne sont que des effets approximatifs ne se produisant que dans des conditions appropries (tel quun courant lectrique macroscopique, de grande taille par rapport un atome). Cette thorie est la thorie la plus prcise (exprimentalement), la mieux valide et la plus vaste (elle explique tout ce que lon connait, sauf la gravit) jamais ralise. Cest un trs beau succs. Ici nous en resterons ce modle plantaire simple qui nous suffit puisque notre objectif est de connaitre les particules qui composent, notamment, latome et non latome lui-mme.\nRevenons sur lanomalie de masse des atomes qui sont approximativement des multiples de la masse de lhydrogne mais o cette masse ne correspond pas la masse totale des protons. Cette anomalie est maintenant concentre dans le noyau de latome et ne concerne pas du tout les lectrons.\nDcouverte du neutron\nDes expriences ralises par Bothe et Becker puis compltes par Frdric et Irne Joliot-Curie avaient montrer lexistence, pour certains atomes radioactifs, dun rayonnement sans aucune charge lectrique mais extrmement pntrant. Chadwick en 1932 analysant ces donnes exprimentales avec prcision montra que ce rayonnement tait compos dun flux de particules neutres, de masse assez proche du proton et quil nomma naturellement neutron. La mesure ultrieure de la masse du neutron montra que sa masse tait seulement 1.008982 fois celle du proton (mme pas un pourcent en plus), soit kg.\nLes protons tant chargs positivement et tant colls les uns contre les autres au sein dun noyau de trs petite taille, la rpulsion lectrostatique est norme. Le fait que les protons restent ensemble au sein du noyau y compris avec des particules neutres (les neutrons) que rien ne prdispose a priori rester l, incite penser quil existe une nouvelle interaction liant ces particules. On lappelle interaction forte ou interaction nuclaire. Elle tire son nom de forte du fait quelle est assez intense pour retenir les protons malgr la rpulsion. Cette force extrmement intense explique aussi la taille trs rduite du noyau. Enfin, en se liant avec une force aussi intense, les protons et les neutrons doivent dgager normment dnergie (ce que lon constate dailleurs dans la fusion thermonuclaire utilise dans les bombes du mme nom) et comme Einstein a montr que lnergie et la masse sont lis, (o c est la vitesse de la lumire dans le vide), cela implique que le noyau doit avoir une masse lgrement plus faible que la somme des masses des neutrons et protons. Cest effectivement ce qui est constat, expliquant les derniers petits carts de masse, et de surcrot, cet cart permet justement de calculer lnergie de liaison due linteraction nuclaire. Notons que les neutrons sont trs pntrant car, sans charge lectrique, ils ne sont pas repousss par les protons et atteignent facilement le noyau. Cela en fait des sondes de choix pour tudier le noyau de latome mais cela explique aussi que ce type de rayonnement est extrmement dangereux pour la sant.\nLes assemblages molculaires tant d au rapprochement des atomes, et les lectrons tant en priphrie de latome, les liaisons chimiques sont uniquement dues aux lectrons. Leur nombre tant li celui des protons, il ne reste quune inconnue : le nombre de neutrons. En effet, un mme lment chimique peut avoir divers nombre de neutrons. On appelle cela des isotopes. Donnons les isotopes les plus simples : Lhydrogne possde un seul proton et un lectron.\nLe deutrium possde un proton et un neutron (et un lectron). Lorsquil remplace lhydrogne dans une molcule deau, on parle deau lourde (avec deux atomes de deutrium, cette eau est 10% plus dense que leau ordinaire). Le tritium possde deux neutrons et un proton (et un lectron). Il est radioactif (mission bta) et se transforme en hlium 3. Il est utilis en mdecine comme traceur de lactivit impliquant des atomes dhydrogne quil remplace. Lhlium 4, le plus abondant, possde deux neutrons, deux protons et deux lectrons. Lhlium 3, assez rare dans la nature, possde deux protons et un neutron (et deux lectrons). Les isotopes dun mme lment ayant les mmes lectrons ont aussi mmes proprits chimiques. Ils sont donc difficiles sparer. On peut les sparer en utilisant de petites diffrences de proprit physique grce leur petite diffrence de masse (vitesses de certaines ractions chimiques, temprature dbullition, dcantation dans une centrifugeuse). Les installations de sparation restent complexes et couteuses.\nLa particule alpha\nLa particule alpha est un noyau dhlium, plus exactement dhlium 4, cest--dire que cette particule est en fait compose de deux protons et deux neutrons.\nChamps lectriques et magntiques\nOn a vu que les charges agissaient les unes sur les autres. Les charges de mme signe se repoussent, et celles de charges opposes sattirent. On peut reprsenter ce phnomne par laction dun champ (une grandeur prenant une valeur en tout point de lespace) que lon nomme champ lectrique.\nEn chaque point le champ lectrique est caractris par une intensit et une direction, ce quon peut reprsenter par une flche. On a vu galement que les aimants craient un champ magntique. En fait, un simple courant lectrique cre aussi un champ magntique.\nMouvements et variations\nUne charge lectrique au repos cre un champ lectrique, mais pas de champ magntique. Un courant cre un champ magntique. Mais un courant lectrique ce nest rien dautre que des charges lectriques en mouvement. Donc, une charge lectrique en mouvement cre un champ lectrique et un champ magntique. De mme, un aimant qui se dplace induit aussi un champ lectrique. Ce champ lectrique pouvant agir sur des charges lectriquse peut induire un courant lectrique. Cest sur cette base que fonctionnent les dynamos et les alternateurs. Cela montre en plus que les champs lectriques et magntiques sont intimement lis. La variation de lun implique lapparition de lautre. Toutes ces relations entre charges, courant, champ lectrique et magntique sont magnifiquement dcrites par les quations de Maxwell de llectromagntisme.\nCes quations admettent des solutions ondulatoires. Cest--dire des valeurs des champs qui oscillent tout en se propageant. Un peu comme des vagues, si ce nest quici, bien entendu, on na pas deau. Cest juste la valeur des champs qui varie.\nCest ce quon appelle une onde lectromagntique. Elle se dplace 300000 kilomtres en une seconde et peut transporter de lnergie et de linformation.\nIl y a deux principales caractristiques londe lectromagntique ci-dessus : son intensit (la hauteur des ondulations) et sa longueur donde (la distance entre les ondulations). On peut aussi parler de sa frquence (le nombre dondulations qui passent par seconde, mesure en Hertz not Hz). Frquence, vitesse et longueur donde sont lis par une relation simple. Lensemble des longueurs donde (ou des frquences) forme ce que lon appelle le spectre lectromagntique.\nLes manifestations physiques des diffrentes longueurs donde sont diffrentes car ces ondes lectromagntiques interagissent diffremment avec la matire. Mais il sagit bien toujours dondes lectromagntiques. On trouve ainsi une grande diversit dans le spectre lectromagntique. Aux grandes longueurs dondes, du centimtre plusieurs kilomtres, on trouve les ondes radios. Puis pour des longueurs donde de lordre du millionime de mtre, on trouve les infrarouges, puis la lumire visible et les ultraviolets. Pour des longueurs donde encore plus courte, on trouve les rayons X puis les rayons gamma. Ces derniers, trs pntrant et trs nocifs, constituent aussi une forme de rayonnement radioactif.\nLeffet photo-lectrique est le phnomne ou des lectrons sont arrachs dune substance (mtal ou semi-conducteur) par un rayonnement lumineux, en gnral des ultraviolets.\nLexplication de ce phnomne laide de la thorie lectromagntique a tenu les scientifiques en chec car un problme pineux se posait : si on calcule lnergie reue par la surface mtallique et que lon considre la minuscule fraction de cette nergie arrivant sur un atome, celle-ci est infiniment trop faible pour arracher un lectron. On pourrait imaginer que lnergie saccumule jusqu tre suffisante mais outre que les lectrons sont immdiatement arrachs ds larrive de londe lumineuse, cette ide conduit un arrachement massif de tous les lectrons du mtal ds que lnergie sest accumule partout avec suffisance, un phnomne qui nest jamais observ.\nPour tudier ce phnomne, on utilise le dispositif suivant appel une triode.\nUne cathode est porte un potentiel ngatif. Cette cathode nest pas chauffe et les lectrons ne quittent pas aisment sa surface (sauf si on atteint la tension de claquage qui est denviron 100000 V par mtre dans le vide ou dans lair sec). Lanode est porte un potentiel positif et attire les lectrons. Les lectrons sont arrachs par la lumire ultraviolette et capts par lanode. Une grille porte un potentiel ngatif rglable repousse les lectrons ce qui les ralentit ou mme les arrte. Sils ne sont pas arrts, ils continuent sur leur lance travers la grille et arrivent sur lanode. Divers instruments permettent de mesurer les tensions, le courant lectrique passant par lanode et lintensit de la lumire ultraviolette.\nLa tension de grille permet de connaitre lnergie des lectrons arrachs la cathode. En effet, ils sont la fois attirs par lanode et repouss par la cathode. Connaissant la valeur exacte du potentiel auquel ils sont soumis, on peut calculer lnergie acquise ou perdue par les lectrons durant leur trajet (cest simplement la tension fois la charge lectrique dun lectron). Si la tension ngative de la grille est suffisante, llectron perd de lnergie durant son trajet et il ne pourra atteindre lanode, et produire un courant lectrique mesurable, que si lnergie des lectrons est suffisante au dpart. Dans lexprience, on peut aussi faire varier la longueur donde (ou, ce qui revient au mme, la frquence) et lintensit des ultraviolets. On peut aussi mesurer lintensit du courant, cest--dire le nombre dlectrons arrachs la cathode. Einstein en 1905 analysa les rsultats de ces expriences. Linterprtation quil fit de ce phnomne le conduisit directement au prix Nobel.\nRsultat en faisant varier lintensit\nGardons la longueur donde des ultraviolets fixe et faisons varier lintensit de la lumire, cest--dire lnergie totale envoye sur la cathode. Traons deux courbes : le nombre dlectrons arrachs (par seconde) et lnergie des lectrons en fonction de lintensit.\nOn constate que lnergie des lectrons est constante. Celle-ci ne dpend donc pas de lintensit des ultraviolets. Mme si on fournit une nergie lumineuse norme, lnergie des lectrons ne varie pas. Par contre, le nombre dlectrons arrachs augmente proportionnellement lnergie des ultraviolets. Lnergie supplmentaire que lon peut apporter avec les ultraviolets ne sert qu augmenter le nombre dlectrons arrachs.\nRsultat en faisant varier la frquence des UV\nGardons maintenant une intensit comparable mais faisons varier la longueur donde des ultraviolets. Traons nouveau lnergie des lectrons et le nombre dlectrons en fonction de la frquence des ultraviolets.\nOn constate quaucun lectron nest arrach moins datteindre une frquence minimale . Audel, lnergie des lectrons augmente proportionnellement avec la frquence des ultraviolets. On a aussi, ds le dbut, un grand nombre dlectrons arrachs puis qui diminue avec la frquence. Ce rsultat est assez logique car on garde lintensit des ultraviolets constante, et au fur et mesure que la frquence augmente, lnergie communique chaque lectron augmente. Lnergie totale ne suffit donc plus arracher autant dlectron qui doivent se partager une plus grosse part du gteau.\nOn peut interprter les rsultats comme suit. Pour arracher un lectron, il faut dabord lui communiquer une certaine nergie qui sert lui faire quitter latome auquel il est attach (ou le rseau cristallin pour un mtal et un lectron se dplaant librement dans ce mtal). Le reste de lnergie sert donc acclrer llectron et cest la valeur des lectrons mesure dans lexprience. Si lon note E lnergie communique llectron on a : Lnergie communique llectron est proportionnelle la frquence des ultraviolets. La constante de proportionnalit est note h, elle sappelle constante de Planck. Cette constante de Planck avait t trouve par celui-ci dans ltude du rayonnement thermique. Il avait retrouv les rsultats exprimentaux en supposant que les atomes nmettaient du rayonnement que par petits paquets dnergie o est la frquence du rayonnement. On a donc . Lorsque lon augmente lintensit des ultraviolets, on augmente lnergie totale mais pas lnergie dun paquet . On a simplement plus de paquets dnergie permettant darracher plus dlectrons.\nIl est tentant dinterprter ces paquets dnergie comme des particules. Ce sera fait et le nom de photon sera donn aux particules lumineuses. Lnergie dun photon est trs faible mais de lordre de lnergie dun lectron dans les atomes et molcules dans la gamme des longueurs donde allant de loptique aux ultraviolets. Cela explique limportance de ces longueurs donde dans les mcanismes biochimiques tel que la vision ou la photosynthse. De plus, lnergie totale dun photon peut tre aussi petite que lon veut. Il suffit pour cela davoir une frquence trs petite. Comme normalement lnergie minimale est , cela signifie que la masse du photon est nulle. Ce que confirment dailleurs la thorie de llectromagntisme ainsi que dautres expriences (on a pu le vrifier avec une prcision extrme). Le photon est donc une particule sans masse. De plus, on voit que la lumire se comporte la fois comme une onde lectromagntique et comme une particule. Ce sont deux aspects, deux visages dun mme objet au comportement un peu plus compliqu quon aurait pu sy attendre. Ce double aspect onde et particule sera tendu par Louis de Broglie toutes les particules et remarquablement confirm par la mcanique quantique et des expriences nombreuses (par exemple, la construction des microscopes lectroniques utilisant le caractre ondulatoire des lectrons).\nLa diffusion de la lumire est une dispersion de la lumire par des objets de petite taille. Ce phnomne est bien connu et prdit par la thorie ondulatoire des ondes lectromagntiques et peut sappliquer avec des poussires et des atomes pour de la lumire dans le domaine de la lumire visible, infrarouge ou ultraviolette. Ce phnomne explique la couleur bleue du ciel (dispersion du bleu par les molcules dair) ou le ciel rougeoyant du soir (dispersion du rouge par des poussires). A plus haute nergie, cette approche ondulatoire ne convient plus cause du caractre corpusculaire mis en vidence ci-dessus. Cest le domaine de la diffusion Compton. Cest un phnomne de diffusion du rayonnement gamma sur des particules charges avec changement de la frquence du rayonnement. Il fut dcouvert thoriquement par Compton en 1922. La vrification exprimentale tait difficile vu les nergies en jeu et la difficult mesurer avec prcision le rayonnement gamma (il nexiste ni miroir ni lentille rayons gamma). Il fallut attendre les annes 1950 pour avoir une confirmation qui montra, si lon en doutait encore, le caractre particule du photon.\nOn peut reprsenter schmatiquement la diffusion dun photon sur un lectron comme suit.\nLe calcul de leffet Compton ncessite de prendre en compte linteraction dtaille du photon et de llectron. Ainsi, en premire approximation, on peut considrer que llectron absorbe le photon puis le rmet :\nIl faut aussi prendre en compte la situation o on a lordre inverse des deux vnements. Le rsultat est la somme des deux processus. Les calculs effectus (complexes) correspondent parfaitement aux rsultats observs.\nMais on peut aussi viter ces calculs compliqus en se contentant du bilan de linteraction. Le premier schma dcrit ci-dessus lquivalent du choc de deux boules de billard. En fonction des directions des deux particules, en utilisant les lois de conservation de lnergie et de la quantit de mouvement (la masse fois la vitesse pour llectron et, comme la relativit le montre, lnergie divise par la vitesse de la lumire pour le photon), on peut calculer la variation de la frquence du photon en fonction de la direction de diffusion. Le rsultat correspond parfaitement ce qui est observ. Ce qui confirme de manire clatante qu ces nergies le photon se comporte vraiment comme un petit projectile .\nRevenons sur la radioactivit bta. Par exemple, un noyau de tritium se dsintgre en mettant un lectron et en se transformant en hlium 3.\nCe processus est li linstabilit du neutron qui se dsintgre, sauf lorsque la liaison est assez forte dans le noyau (dans lhlium, par exemple) pour stabiliser le neutron (le processus de dsintgration serait globalement dsavantageux du point de vue nergtique).\nSpectre de lmission\nEn utilisant la loi de conservation de lnergie, et puisque lon a un atome bien prcis au dbut et la fin, avec une diffrence dnergie bien prcise, llectron mit doit avoir une nergie bien prcise (en tenant compte du lger recul du noyau). Mais ce nest pas du tout ce qui est obser.\nSi lon trace le nombre dlectrons mis par un matriau radioactif en fonction de lnergie des lectrons mis, on obtient un spectre dnergie assez large. En fait, avec le lger recul du noyau, un spectre est bien possible, mais le calcul montre quil doit tre trs troit. Ceci est d au fait que les protons et neutrons sont beaucoup plus massifs que llectron et remuent peine lorsque llectron est ject.\nPour rsoudre cette contradiction, deux solutions soffraient aux physiciens : Soit on considre que la conservation de lnergie est viole. Une hypothse radicale en contradiction avec tout ce que lon sait en physique. Soit on considre quil y a une autre particule qui vient jouer les trouble-fte.\nDans ce processus quatre, la nouvelle particule emporte de lnergie et selon les angles dmission, on peut avoir une nergie variable rpartie entre llectron et cette particule, expliquant le spectre observ. Ce fut Pauli qui posa cette hypothse en 1930. La particule mise fut appele neutrino ou petit neutre car elle devait tre sans charge lectrique. La raison de cette absence de charge lectrique est double : le neutron na pas de charge lectrique, la charge lectrique tant une grandeur conserve, on doit galement avoir une charge totale nulle la fin. Le proton et llectron ayant des charges lectriques opposes, le neutrino doit avoir une charge nulle pour que le totale soit neutre. La deuxime raison est que cette particule doit tre trs difficile dtecter puisque les expriences ne semblaient pas mettre en vidence la prsence dune autre particule autrement que par cette anomalie dans le spectre de llectron.\nLes premiers racteurs nuclaires, ns pendant la seconde guerre mondiale, permirent la production intense de neutrinos travers les processus de raction nuclaire. Cest de cette manire que le neutrino pt tre dtect directement en 1956 par les rares interactions quils produisent dans des atomes placs sur leur chemin. Ces neutrinos sont vraiment trs fantomatiques . Des milliards de neutrinos mis par le Soleil vous ont travers le temps de lire cette section et vont traverser toute la Terre, de part en part, trs peu tant arrt par la matire. Pour expliquer le processus de dsintgration, qui ne fait pas intervenir les forces lectromagntiques ni fortes (le neutrino y est insensible) on a fait intervenir une nouvelle interaction appele interaction faible. Notons quon peut aussi avoir une estimation de sa masse laide des processus faisant intervenir le neutrino, comme dans la dsintgration bta. Ces rsultats sont compatibles avec une masse nulle. Mais nous reviendrons sur ce point. Le neutrino est donc ( ce stade) une particule sans charge lectrique, sans masse et insensible aux forces lectromagntiques et linteraction forte. Mais sensible linteraction faible dont la faiblesse explique les trs rares interactions du neutrino avec la matire.\nLe moment est venu de faire une pause. Avant de continuer, divisons lensemble des particules en deux grandes classes et quelques autres critres. Cela facilitera le classement mais nous apportera aussi pas mal dinformations sur les proprits des particules lmentaires. Les deux grandes classes se distinguent par leurs proprits statistiques. Cest--dire leur comportement lorsquelles se trouvent en grand nombre. Lexistence de ces deux classes est suggre par la mcanique quantique.\nOn trouve dans la nature des particules appeles fermions qui ont la particularit de ne pas pouvoir tre dans le mme tat. Deux particules du mme type ne sont jamais dans le mme tat (mme position, mme nergie, etc.) Cest ce que lon appelle le principe dexclusion de Pauli qui fut suggr la premire fois par Pauli en 1925. Les proprits statistiques dune grande collection de particules de ce type sont dcrites par la statistique de Fermi-Dirac et les particules sont donc appeles des fermions. Parmi ces particules, on a dj la plupart de celles que nous avons vue : lectron, proton, neutron, neutrino.\nLautre grande de particules se comporte loppos. Ces particules ont un comportement grgaire, elles aiment tre dans le mme tat. Pour de pas attribuer une intention ces particules, il est plus correct de dire ceci : si une particule est dj dans un tat X, alors la probabilit quune particule identique passe dans ltat X est plus grande que si elle avait t seule. Plus il y a de particules dans ltat X et plus de nouvelles particules identiques ont de chance de basculer aussi dans cet tat. La statistique qui dcrit ce comportement sappelle statistique de Bose-Einstein et les particules sont donc appeles des bosons. Un exemple de boson est le photon.\nLes particules peuvent possder ce que lon appelle un moment angulaire. Un grand mot simplement pour dire que la particule a la possibilit de tourner sur elle-mme comme une toupie. La mcanique quantique montre que ce moment angulaire ne peut pas tre quelconque pour une particule. Les diffrents types de particules sont : Les particules ne pouvant pas avoir de moment angulaire. Elles sont dites scalaires ou possder un spin 0. Les particules pouvant avoir un moment angulaire ou (mesur le long dun axe quelconque). est la constante de Planck divise par 2 fois le nombre pi. On dit quelles ont un spin 1/2. Cest le cas des lectrons, protons, neutrons et neutrinos. Les particules pouvant avoir un moment angulaire nul, ou , ce sont les particules vectorielles de spin 1. Un exemple est le photon. Du fait de sa masse nulle, la relativit permet de montrer que son moment angulaire nest jamais nul. Et on peut continuer ainsi avec des spins de valeur 3/2, 2, 5/2, etc.\nFermions et atomes\nNous avons vu que les lectrons se situaient autour de latome sur certaines orbites. La mcanique quantique permet de montrer que ces orbites ne sont pas quelconques. Seules certaines orbites sont autorises. Elles sont identifies par le nombre quantique n. n = 0 pour lorbite la plus basse avec lnergie la plus faible, puis n = 1, 2, 3, De plus, les lectrons sont des ferions. Ils ne peuvent pas tre deux dans le mme tat. Ce qui implique que plusieurs lectrons ne peuvent pas se mettre nimporte comment autour de latome. Montrons quelques exemples :\nPour lhydrogne, cest simple, il ny a quun seul lectron. Il se place donc sur lorbite n = 0 dnergie la plus basse. Pour lhlium, le deuxime lectron peut aussi se mettre sur la mme orbite. Llectron possde en effet un spin gal 1/2. Il peut donc se trouver dans deux tats de moment angulaire : -1/2 et +1/2. Par consquent, deux lectrons peuvent se placer sur la mme orbite conditions quils aient des tats de spin opposs. Un troisime lectron, pour le lithium, ne peut plus se mettre sur la premire orbite. On dit que lorbite est entirement occupe. Sil voulait sy placer, il se trouverait forcment dans le mme tat de spin quun des deux lectrons dj prsent et cest interdit par la mcanique quantique. Il doit donc se trouver dans un autre tat orbital et se place sur lorbite n = 1 qui a un peu plus dnergie. On peut ainsi continuer le remplissage avec dautres lectrons. La situation se complique un peu car la mcanique quantique montre que la deuxime orbite, par exemple, correspond en ralit quatre tats diffrents (quon pourrait qualifier grossirement dorientations) et donc huit lectrons peuvent y prendre place. Ce remplissage progressif permet dexpliquer de nombreuses choses : La taille des atomes. Les lectrons priphriques tant les premiers en contact entre deux atomes, leur rpartition explique les liaisons chimiques. Le remplissage progressif explique le caractre priodique des proprits chimiques des lments et donc le tableau priodique des lments de Mendeleev. Ce premier travail de classement et danalyse des proprits chimiques des atomes fut ralis la premire fois par Bohr.\nNotons que les neutrons et protons, dans le noyau, tant aussi des fermions, une structure analogue y existe aussi (mais beaucoup plus complexe dautant quelle fait intervenir deux interactions diffrentes : linteraction lectromagntique et linteraction nuclaire ou forte). De ce fait, on dit parfois que les fermions sont les particules de la matire. Mais on verra aussi des fermions exotiques qui ne font pas partie des atomes.\nLe photon tant un boson, il a tendance rejoindre dautres photons dans le mme tat. Supposons que lon ait des atomes dans un tat excit (les lectrons sont sur des orbites dnergie plus leve). Latome a tendance se dsexcit spontanment (les lectrons reviennent sur leurs orbites de base comme dcrit plus haut) en mettant un rayonnement lectromagntique sous forme de photons. Ce processus dmission spontane prend un certain temps. Mais si un photon a dj t mis, les autres atomes vont se dsexcit beaucoup plus rapidement en mettant un photon identique, et ce dautant plus vite que dautres photons sont dj prsent. Cette raction en chane sappelle mission stimule et fut dcouverte thoriquement par Einstein. Ce mcanisme permet de raliser leffet laser qui produit des faisceaux lumineux troits (tous les photons vont dans la mme direction), trs intenses (ils sont tous mis en mme temps), monochromatiques (une seule longueur donde) et cohrent (les ondes lectromagntiques correspondant chaque photon oscillent de concert). Ces proprits exceptionnelles que lon ne retrouve pas dans dautres sources lumineuses comme lclairage domestique font du laser un outil prcieux dans de trs nombreuses applications. Suite ce comportement, on dit parfois que les bosons constituent le rayonnement (par opposition la matire). Bien que, nous lavons vu avec les lectrons, les fermions prsentent aussi un caractre ondulatoire. On dit aussi parfois que les bosons transmettent les forces, tant donn que le photon transmet linteraction lectromagntique. Mais il existe aussi des bosons ne transmettant pas de force. Il existe galement des structures composites, comme les noyaux et les atomes. La mcanique quantique permet aussi de leur affecter un spin (bas sur le spin des particules qui les composent) et donc un caractre fermion ou boson. Par exemple, le noyau de deutrium est un boson, le noyau dhlium 3 est un fermion, tandis que les atomes de deutrium et dhlium 3 sont des fermions. Le changement dans le cas du deutrium lorsque lon considre le noyau ou latome vient du fait que dans ce dernier il y a aussi un lectron. La rgle est assez simple : si on a un nombre impair de fermions dans les particules composant lensemble, alors lensemble est un fermion, sinon cest un boson.\nOn a vu quun courant lectrique produisait un champ magntique. On sattend donc ce quune charge lectrique en rotation (ce qui quivaut un minuscule courant circulaire) produise aussi un champ magntique. La particule se comporte alors comme un petit aimant dont lorientation dpend de ltat de spin. Ce caractre est responsable de comportements assez complexes observs avec les atomes soumis des champs magntiques (dmultiplication du spectre dmission dun atome ou effet Zeeman).\nIl est possible de calculer le moment magntique en fonction de la charge lectrique et du moment angulaire. Le rsultat trouv pour llectron est en parfait accord. On constate aussi exprimentalement que le neutrino na pas de moment magntique dtectable. Par contre, on observe un cart important entre thorie et exprience pour le proton. Plus encore, le neutron possde aussi un moment magntique alors quil ne possde mme pas de charge lectrique. Ces comportements anormaux sont le signe, comme le verrons bientt, que le proton et le neutron sont des particules composites avec une structure interne.\nSpin et statistique\nIl existe un thorme complexe utilisant la mcanique quantique et la relativit qui montre quil existe un lien entre le spin et le comportement statistique. Cest le thorme spin-statistique. Ainsi, les particules avec un spin demi-entier (comme llectron) doivent tre des fermions et celles avec un spin entier (comme le photon) doivent tre des bosons.\nLimpulsion ou quantit de mouvement est donn en physique classique par la masse fois la vitesse : p = mv En relativit la relation est plus complique mais peu importe ce stade. Lnergie cintique dune particule peut sexprimer avec limpulsion. On a :\nCette relation et quelques rgles permettent dtablir, en mcanique quantique, lquation dcrivant lvolution dune particule comme llectron. On lappelle lquation de Schrdinger. Elle permet, par exemple, une description prcise de latome dhydrogne.\nEn relativit, la relation entre nergie et impulsion dcrit : En utilisant les mmes rgles que ci-dessus, on aboutit une version relativiste de la description quantique de llectron. On lappelle quation de Dirac.\nLa dernire relation a toutefois quelque chose dassez particulier. Considrons une particule au repos. Dans ce cas, p = 0. La relation relativiste devient donc . Cette relation a deux solutions possibles : et . La deuxime solution, lnergie ngative, ne semble pas avoir de sens. Et, en effet, en physique classique on peut tout simplement ignorer cette solution. Lensemble reste cohrent car tout tat dnergie positive conduit un autre tat dnergie positive.\nMais en mcanique quantique, la situation est diffrente. Lquation de Dirac, par exemple, montre que les tats dnergie positive et ceux dnergie ngative sont coupls. On ne peut plus ignorer ces derniers. Si lon applique, par exemple, lquation de Dirac latome dhydrogne, on retrouve les solutions de lquation de Schrdinger avec des corrections relativistes trs bien vrifie par lexprience. Mais ct des tats dnergie positive, on trouve des tats tout fait analogue mais dnergie ngative.\nEn plus des changement dtats habituels dun tat excit dnergie positive vers un tat dnergie plus faible positive avec mission dun photon, llectron peut passer dans un tat dnergie ngative avec galement mission dun photon. Ici lnergie du photon est avec m la masse de llectron (lnergie correspond un rayonnement gamma). Puis llectron peut continuer descendre indfiniment dans des tats dnergie de plus en plus ngative. Non seulement latome serait instable mais il mettrait aussi indfiniment de lnergie. Ce rsultat absurde est, bien entendu, non observ.\nLa mer de Dirac\nFace cette hypothse, Dirac fit en 1928 une hypothse : tous les tats dnergie ngative sont dj occups par des lectrons. Comme les lectrons sont des fermions, soumis au principe dexclusion de Pauli, un lectron dnergie positive ne peut passer dans un tat dnergie ngative car il est occup. Cette solution est assez bizarre car elle postule lexistence dlectrons partout, en tout point, une infinit dlectrons que, de plus, on ne sait pas dtecter. Cest la mer de Dirac. De plus, cette solution\nne marche pas pour les bosons qui ne sont pas soumis au principe dexclusion de Pauli alors que la thorie montre quils doivent faire face au mme problme. La thorie quantique des champs, en passant une thorie nombre variables de particules, a permis de formuler de manire beaucoup plus satisfaisante (mais beaucoup plus technique) une solution ce problme. Mais ici, la mer de Dirac, trs intuitive, nous suffira.\nQue se passe-t-il si on excit un lectron de la mer de Dirac ? Par exemple, on peut lui envoyer un rayon gamma dnergie suffisante (au moins ).\nDans ce cas, llectron peut tre excit et acqurir une nergie positive. On a apparition dun lectron libre. De plus, on a aussi formation dun trou dans la mer de Dirac. Les lectrons voisins peuvent venir combler ce trou (par exemple en se dplaant sous linfluence dun champ lectrique) et celui-ci va donc se dplacer en sens inverse. Le trou se comporte comme une particule de mme masse que llectron, dnergie positive et de charge lectrique identique celle de llectron mais de signe oppos. Leffet inverse est possible.\nLlectron peut retomber dans le trou (ou plutt il change dtat pour occuper un tat dnergie ngative libre) en mettant un photon (en fait, pour des raisons relatives aux lois de conservation de la quantit de mouvement, on doit avoir au moins deux photons dnergie chacun). On dit que le trou et llectron se sont annihils. Dirac postulat lexistence dune particule de ce type. Au dbut, on a pens quil sagissait du proton, sa masse importante rsultant de linertie de la mer de Dirac , mais outre le fait que llectron et le proton ne sannihilent pas mutuellement, le proton a aussi diverses proprits totalement diffrentes de llectron (sa sensibilit aux interactions nuclaires, sa structure composite). Dirac postula ainsi lexistence dune nouvelle particule, appel antilectron ( anti rappelant quelle peut sannihiler avec llectron) ou positron (en rfrence sa charge lectrique positive). Le positron fut observ directement la premire fois par Carl Anderson en 1928. Leur annihilation produisant des photons gammas dnergie prcise, ils constituent une vritable signature utilise par exemple en astronomie pour la dtection de phnomnes violents (explosions dtoiles, par exemple).\nLa solution plus gnrale et plus prcise au problme de Dirac et lapplication dautres particules conduit aussi des antiparticules. Cela donne : lantiproton, lantineutron et lantineutrino. Toutes ces antiparticules ont t observes. Lantiproton fut dtect en 1955 par Emilo Segr laide du grand acclrateur de particules de Berkeley en Californie. Cet acclrateur communiquait une nergie trs importante aux particules avant de provoquer leurs collisions. Lnergie fournir, , pour crer un antiproton tant en effet extrmement importante du fait de la masse leve du proton (mille fois plus quavec llectron). Notons que dans la dsintgration bta, on assigne une charge faible (en raison de linteraction du mme nom) llectron et le neutrino. Pour des raisons de conservation de la charge, la raction de dsintgration du neutron doit tre : Neutron proton + lectron + antineutrino En toute honntet, peu importe celle quon appelle anti (on aurait pu dire que le neutrino avait une charge faible de signe oppos llectron). Ce sont juste les mmes particules avec les charges opposes, ce sont des particules comme les autres. Les choix de quelle est la particule et laquelle est lantiparticule est donc juste un choix de commodit et mme parfois un choix totalement arbitraire. Notons que le proton et lantiproton sannihilent mais pas seulement en photons. Lnergie est suffisante pour crer dautres particules et lannihilation cre des lectrons, des positrons, des neutrinos, 85 % de lnergie se transforme photons et neutrinos. Une antiparticule est donc caractrise par la mme masse, le mme spin mais des charges opposes la particule correspondante. Le photon ne portant aucune charge, il est sa propre antiparticule. Il nexiste pas dantiphoton. On peut associer un antiproton un positron pour former un antiatome. Ici avec un seul antiproton cela donnerait de lantihydrogne. Le CERNE produit et tudie les proprits de tels antiatomes avec un systme de stockage allant jusqu 50000 antiatomes (la conservation est difficile car le moindre contact avec un atome ordinaire provoque une annihilation).\nPuisque le positron a la mme charge que le proton, on pourrait imaginer le substituer au proton dans un atome dhydrogne. On obtient alors un pseudo-atome form dun lectron et dun positron tournant lun autour de lautre. On lappelle le positronium. Cette structure est fort instable car llectron sannihile trs vite avec le positron. Mais lavantage de ce systme est quil est trs simple. Il est donc possible de calculer ses proprits avec une trs grande prcision et il a t largement tudi exprimentalement par les physiciens.\nNous sommes arrivs un stade o il est utile de dresser un premier tableau des particules dcouvertes. Classe Particule Masse Fermions Electron Neutrino 0 Proton Neutron Bosons Photon 0 Spin 1/2 1/2 1/2 kg kg 1/2 1 kg Charge -1 0 +1 0 0 Antiparticule Positron Antineutrino Antiproton Antineutron .\nLa charge a t donne en unit de charge lmentaire Les antiparticules ont une charge oppose la particule.\nLes acclrateurs de particules\nNous avons cit plusieurs fois les acclrateurs de particules. Disons quelques mots sur ces appareils qui se sont fortement dvelopps aprs la seconde guerre mondiale. Dcrivons dans les grandes lignes le fonctionnement du type dacclrateur le plus courant, lacclrateur circulaire ou cyclotron.\nDes particules charges lectriquement (lectrons, positrons, protons,) sont envoys dans lanneau (sous vide pouss pour viter que des molcules ne viennent percuter les particules). La trajectoire des particules est maintenue circulaire grce des lectroaimants disposs tout autour (un seul a t reprsent). Des appareils utilisant des champs lectriques ou lectromagntiques (appels klystron) sont disposs le long de la trajectoire afin dacclrer les particules en leur communiquant une grande quantit dnergie. Aprs avoir fait plusieurs tours, les particules atteignent une grande vitesse. Elles sont alors envoyes sur une cible (par exemple une plaque de mtail) o se produit la collision. Celle-ci produit des gerbes de particules de toute sorte qui spont analyses par de nombreux dtecteurs de diffrentes types.\nComment augmenter la puissance de cet appareil ? La premire amlioration vidente est dutiliser deux faisceaux de particule, chacun tournant dans un sens. La collision se produit un endroit choisi de lanneau en dviant lgrement les faisceaux. Ainsi, la collision frontale permet de doubler lnergie de la collision. Pour avoir plus dnergie, il suffit den injecter plus dans les particules chaque tour ou sur plus de tours. Mais les particules allant de plus en plus vite, deux limites se posent : Plus la particule va vite et plus la force centrifuge est importante. Les aimants courbant les trajectoires des particules doivent alors tre de plus en plus puissants. Une trajectoire charge qui suit une trajectoire courbe rayonne (dans les ondes radios) en perdant de lnergie et en ralentissant. La limite est atteinte lorsquelles perdent autant dnergie chaque tour quon narrive en injecter avec les klystrons.\nAugmenter la puissance des aimants et des klystrons a ses limites. Une solution simple consiste donc agrandir lanneau afin que la courbe de lanneau soit moins accentue. En procdant de la sorte, on est vite pass de cyclotrons de quelques mtres plusieurs centaines de mtres. Lacclrateur le plus puissant au monde actuellement est le LHC la frontire franco-suisse. Il est plac dans un tunnel souterrain de 278 km de long. Les lectroaimants fonctionnent avec des supraconducteurs (pas de rsistance lectrique) en fils de niobium refroidis lhlium liquide des tempratures de lordre de -270 degrs. Il acclre deux faisceaux de protons jusqu des nergies de plusieurs teralectronsvolts (un milliard dlectronvolt, un lectron volt tant lnergie acquise par un lectron sous une tension de un volt). Cet acclrateur de tous les superlatifs propulse les protons vitesse proche de la vitesse de la lumire.\nAlors que le tableau prcdent prenait seulement sa forme dfinitive, les physiciens dcouvraient de nombreuses autres particules. Au fur et mesure que lon commenait les dcouvrir et les comprendre, de nouvelles questions se posaient ncessitant de sonder des domaines des nergies de plus en plus grande. Do cette course la puissance. Cest dans le monde trange de ces nombreuses particules que nous vous convions maintenant.\nEn 1956, Carl Anderson tudiait les rayons cosmiques et y dcouvrit une nouvelle particule. Les rayons cosmiques sont des flux de particules dans lespace, essentiellement composs de protons et dlectrons trs rapides, venant pour la plus grande part du Soleil (et une partie dtoiles plus lointaines). Ces rayonnement trs nergtiques heurtent les molcules dair de la haute atmosphre et produisent dnormes gerbes de particules qui peuvent tre captes au sol. La particule que Anderson trouva fut appele muon. Le muon est tout fait analogue llectron dont il partage bien des proprits. La principale diffrence est quil est beaucoup plus massif. Sa masse est de 105.7 Mev (contre 0.512 pour llectron, M = million). Le muon est instable, il ne survit que seconde (quelques millionimes de seconde) en moyenne. Cest trs bref. Il se dsintgre alors en un lectron, des photons et des neutrinos. Notons que sa dure de vie est si courte quAnderson naurait pas d lobserver au sol. Les muons devraient tous se dsintgrer le long du parcourt (de la haute atmosphre jusquau sol). Mais cause de la dilatation du temps relativiste, et comme ils ont une vitesse proche de la vitesse de la lumire, leur dure de vie est notablement allonge. Un phnomne maintenant observ tous les jours dans les grands acclrateurs de particules. Le symbole de cette particule est .\nPlus tard, dans les acclrateurs assez puissants pour communiquer suffisamment dnergie, on dcouvrit une troisime particule du mme type mais encore plus lourde : le tau (). Sa masse est de 1777 Mev et sa dure de vie encore plus courte.\nLe mson de Yukawa\nEn 1935, Hideki Yukawa fit une hypothse : linteraction nuclaire avait pour origine lchange, entre neutrons et protons, dune particule nomme mson de Yukawa. Cette hypothse est assez naturelle dans le cadre de la mcanique quantique o les interactions sont dcrites par de telles processus et o linteraction lectromagntique est dcrite par des changes de photons. On montre que si la particule change est massive, linteraction nagit qu courte porte. Linteraction nuclaire nagissant pas au-del de quelques diamtres de protons ou neutrons, la particule doit tre assez massive. Connaissant les proprits de linteraction nuclaire, Yukawa fut mme de dduire les proprits du mson de Yukawa.\nDe nouvelles particules\nLes acclrateurs tant puissant, ils fournissent assez dnergie pour crer de nombreuses particules. Dans limmdiat aprs-guerre, on commena ainsi dcouvrir de nombreuses particules. Outre les leptons, dont nous avons parl, on a aussi les hadrons qui qualifient les particules sensibles linteraction forte (nuclaire) et dont font partie les neutrons et protons. Ces derniers sont des fermions. Lorsque la particule est un hadron mais aussi un boson, on la qualifie de mson. Les msons sont donc des particules sensibles aux interactions fortes et de spin entier. Grce aux acclrateurs, on a dcouvert un nombre impressionnant de msons. Le plus lger, appel mson pi (ou pion, ou ) fut identifi au mson de Yukawa dont la thorie se trouvait ainsi confirme. Le mson pi existe sous trois forme : neutre, avec une charge lectrique positive, avec une charge lectrique ngative. Donnons une liste des msons qui ont t dcouverts. Particule (lexposant donne la charge) Spin Parit Etranget Charme Masse (en MeV) 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 139.566 134.964 493.668 497.7 Dure de vie (en s)\nImpaire Impaire Impaire Impaire Impaire Impaire Impaire\nImpaire 0 Impaire 0\nLes antiparticules sont identiques aux particules (au changement de signe prs) sauf lorsque lon fait surmonter le symbole dune barre. Le mson K neutre est assez particulier car il consiste en un mlange de deux tats (ce quautorise la mcanique quantique). Selon le mlange on a un tat dtranget bien dfinie (voir ci-dessous) soit un tat avec une dure de vie prcise. Nous verrons que cette liste va encore sallonger. Dici l, il faudra expliquer cette liste tonnante de particules. Il faut de plus aussi compter sur lexistence dtats excits (un peu comme un atome excit). Ces tats ont une dure de vie extrmement courte et sont appels des rsonances. En ce dsexcitant ils mettent un photon et se transforment en un mson non excit. Donnons une liste des principales (sa longueur illustre la perplexit des physiciens lpoque devant leur nombre impressionnant). Particule ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) f(1270) ( ) ( ) f(1515) ( ) ( ) ( ) g(1680) h(2040) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Spin 1 1 0 0 0 1 1 1 2 0 2 2 1 2 3 3 4 1 1 1 1 1 1 1 0 2 3 1 1 Parit Impaire Impaire Impaire Paire Paire Impaire Paire Paire Paire Paire Paire Paire Impaire Impaire Impaire Impaire Paire Impaire Impaire Impaire Impaire Impaire Impaire Paire Paire Paire Impaire Impaire Impaire Etranget 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Charme 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Masse (en Mev) 770 782.6 957.6 980 980 1019.6 1100 1231 1271 1300 1312 1516 1600 1640 1688 1688 2040 3097 3686 3772 4414 9500 892.2 1280 1400 1434 1784 2008 2006\nEn tudiant toutes ces particules, cest--dire en tudiant la faon dont elles se crent, la manire dont elles se dsintgrent, leur dure de vie, etc., on a pu dterminer les proprits que nous avons dj vue (comme le spin) mais aussi dautres proprits qui ont pu leur tre attribue. Parmi ces proprits, citons ltranget et le charme, donn ci-dessus. Ces noms nont videmment rien voir avec leur sens habituel, mme si des physiciens pourraient trouver que certaines particules sont charmantes , mais les physiciens sont parfois un peu pote et on le verra encore avec dautres noms de ce genre. Ces proprits ont la particularit dtre conserves dans les interactions rapides (que lon attribue linteraction forte ou linteraction lectromagntique). Par contre, elles ne sont pas conserves dans les interactions lentes (typiquement, des dsintgrations prenant un temps relativement long par rapport dautres modes de dsintgration, que lon attribue linteraction faible). De mme, il existe une autre proprit qui un a un rapport avec la symtrie par renversement spatial (un peu comme le reflet dans un miroir) et appele parit. Si la particule reste identique on dit que sa parit est paire, sinon elle est impaire. Cette grandeur est l aussi prserve par les interactions fortes et lectromagntiques mais pas par les interactions faibles. Un exemple typique dinteraction conservant ltranget est une collision haute nergie, toujours trs rapide : O le est une particule que nous verrons juste aprs dtranget -1.\nAlors que dans la dsintgration : Relativement lente. Ltranget est modifie. Notons que dautres grandeurs comme lnergie, la charge lectrique ou le spin total sont toujours conservs, dans toutes les interactions.\nV.3. Les baryons\nOn a aussi dcouvert de nombreuses particules appeles baryons. Un baryon est un hadron, donc sensible linteraction forte, et un fermion, donc de spin demi-entier. Les nuclons (les protons et les neutrons) sont des baryons. Voici une liste de ces baryons. Particule Spin 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 3/2 Parit Paire Paire Paire Paire Paire Paire Paire Etranget -1 -1 -1 -1 -2 -2 -3 Masse (MeV) Dure de vue (s) 1115.60 1189.37 1192.48 1197.35 1314.9 1321.32 1672.2\nAinsi que les rsonances baryoniques (tats excits).\nParticule N (1470) N (1520) N (1535) N (1670) N (1688) N (1700) N (1700) N (1780) N (1810) N (2190) N (2200) N (2200) N (2650) (1232) (1650) (1670) (1690) (1890) (1910) (1950) (1960) (2420) (1405) (1520) (1670) (1690) (1815) (1830) (1860) (1870) (2100) (2110) (1385) (1660) (1670) (1750) (1765) (1915) (1940) (2030) (1530)\nSpin 1/2 3/2 1/2 5/2 5/2 1/2 3/2 1/2 3/2 7/2 9/2 9/2 11/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2 1/2 3/2 1/2 3/2 5/2 5/2 3/2 1/2 7/2 5/2 1/2 3/2 1/2 3/2 5/2 5/2 3/2 7/2 3/2\nParit Paire Impaire Impaire Impaire Paire Impaire Impaire Paire Paire Impaire Impaire Paire Impaire Paire Impaire Impaire Paire Paire Paire Paire Impaire Paire Impaire Impaire Impaire Impaire Paire Impaire Paire Impaire Impaire Paire Paire Paire Impaire Impaire Impaire Paire Impaire Paire Paire\nEtranget 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -2\nMasse (MeV) 1390-1470 1510-1530 1500-1545 1650-1685 1670-1690 1660-1700 1660-1710 1650-1750 1650-1750 2140-2250 2130-2270 2200-2250 2580-2700 1230-1234 1600-1695 1620-1720 1650-1900 1860-1910 1780-1960 1910-1950 1890-1950 2380-2450 1405 1520 1660-1680 1690 1820 1810-1840 1850-1920 1700-1850 2080-2120 2050-2150 1382 1580-1690 1675 1730-1820 1774 1905-1930 1900-1960 2020-2040 1531\nV.4. Le modle octet\nOn a l une liste absolument impressionnante de particules. Comment classer tout a ? A lpoque, les physiciens taient dautant plus perplexe que, ne connaissant pas de structure interne ces particules, il ntait pas sr que les rsonances soient des tats excits.\nModle des quarks\nMurray Gell-Mann et Georges Zweig en 1964 tudient les msons et baryons et leurs proprits et remarquent quelles obissent des symtries remarquables. Ils imaginent alors que ces particules sont elles-mmes composes de seulement quatre particules (en fait trois au dpart) quils nommrent les quarks. Ces quarks ayant les proprits suivantes (la charge lectrique est donne en charges lmentaires de llectron). Quark Up (haut) Down (bas) Strange (trange) Charm (charme) Symbole u d s c Charge 2/3 -1/3 -1/3 2/3 Etranget 0 0 -1 0 Charme 0 0 0 0 Spin 1/2 1/2 1/2 1/2\nAinsi que quelques autres proprits que nous navons pas vu. En les combinant, on obtient tous les msons (deux quarks) et baryons (trois quarks) avec leurs proprits.\nOn comprend mieux le nom du modle en prenant les trois premiers quarks (ceux du modle initial) et en les combinant pour former les msons. On vrifie aisment que lon a les bonnes proprits.\nComme nous lavions dj dit propos des msons K, la mcanique quantique autorise des mlanges dtats diffrents. Les deux msons du centre sobtient par deux combinaisons diffrentes des trois paires quark / antiquark indiques. Les baryons se classent aussi sous forme octet mais un modle dcuplet est plus complet. Par exemple, en prenant les rsonances suivantes.\nOn voit clairement les symtries. Par exemple la charge lectrique augmente en suivant une directions vers la gauche et vers le bas et ltranget augmente quand on va vers le haut.\nSi lon ajoute le quark charme, on peut construire un 15-uplet de msons.\nEt un 20-uplet pour les baryons.\nVoyons comment on retrouve les proprits avec deux cas bien connu : le neutron et le proton. Le neutron a pour composition les trois quarks udd. Le proton a pour composition les trois quarks uud. Pour les charges lectriques on a donc 2/3 1/3 1/3 = 0 pour le neutron et 2/3 + 2/3 1/3 = 1 pour le proton. Ils nont pas dtranget ni de charme. Trois particules de spin 1/2 peuvent donner une particule de spin ou 3/2. Les liaisons entre quarks sont plus fortes lorsque leur spin est oppos, ltat le plus stable est donc 1/2 + 1/2 1/2 = 1/2. Nous comprendrons mieux les rgles dassociation des quarks avec linteraction forte un peu plus loin. Au dbut, les physiciens taient sceptiques, en particulier cause des charges lectriques fractionnaires, mais aussi pour le caractre apparemment un peu recette de cuisine de la construction. Mais lavalanche de rsultats thoriques expliquant les donnes exprimentales on lachev de convaincre. Puis plus tard, on a pu mettre en vidence directement des quarks dans certains processus (collisions trs haute nergie impliquant directement linteraction entre un quark dune particule et un quark dune autre particule).\nLe moment est venu deffectuer un nouveau bilan. Rpertorions les particules lmentaires ainsi que les particules composites.\nClasse Famille Particule Masse Fermions Leptons Electron Neutrino 0 Quarks Up 1.5 4 MeV Spin kg 1/2 1/2 1/2 Charge -1 0 +2/3 Antiparticule Positron Antineutrino Anti-up\nDown Strange Charm Photon\n4 8 MeV 80 130 Mev 1150 1350 MeV 0\n1/2 1/2 1/2 1\n-1/3 -1/3 +2/3 0\nAnti-Down Anti-strange Anti-charm -\nParticule Composition Spin 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1\nComme on le voit, certains msons ont la mme composition mais un spin diffrent montrant que les deux quarks ont des spins qui sajoutent (spins parallles) au lieu de se soustraire. Cela montre quil sagit dtats excits. On a galement un spin 1 lorsque les deux quarks sont de mme nature. On voit aussi que certains msons peuvent tre des superpositions quantiques assez compliques de plusieurs tats de paires de quark antiquark.\nNous nindiquons pas les antiparticules qui se dduisent facilement en prenant les antiquarks. Particule Composition Spin p (proton) uud 1/2 n (neutron) ddu 1/2 uuu 3/2 uud 3/2 udd 3/2 ddd 3/2 uds 1/2 udc 1/2 uus 1/2 uds 1/2 dds 1/2 uss 1/2\ndss dsc usc sss ssc\n1/2 3/2 3/2 3/2 1/2\nVI. Les interactions\nRappelons que nous avons vu trois types dinteractions entre particules : Interaction lectromagntique, dont la particule mdiatrice est le photon. Interaction faible. Interaction nuclaire ou forte, dont la particule est mdiatrice est le mson pi, du moins entre protons et neutrons. Ces particules tant composites, il reste mieux comprendre linteraction entre quarks.\nVI.1. Echange de particules\nNous nallons dcrire ici que le principe gnral, en quelques mots et sans les dtails thoriques qui sont fort longs et complexes. Nous ne prsenterons que ce qui savre utile la comprhension de ce qui va suivre, cest--dire fort peu.\nLa thorie quantique des champs\nLa thorie quantique des champs est la thorie dcrivant les particules lmentaires et leurs interactions. Cest une thorie trs labore qui modlise les particules comme des excitations dun champ, un peu comme les vibrations dune corde. Une vibration bien prcise correspond une particule et des vibrations plus importantes correspondent de nombreuses particules. Les diffrents champs sont coupls entre eux, un peu comme des pendules qui seraient relis par des cordes. Les vibrations des diffrents champs peuvent donc interagir et se transformer en dautres vibrations. Un exemple typique est le champ lectromagntique. Ses vibrations sont appels photons et ce champ est coupl aux charges lectriques.\nLes calculs conduisent des interactions complexes avec cration et destruction de particules (des vibrations qui apparaissent ou disparaissent). Ces calculs admettent une formulation graphique, les diagrammes de Feynman qui dcrivent les diffrents types dinteractions entre particules. Ces diagrammes peuvent tre fort complexes.\nIls obissent des rgles de construction et de calculs trs prcis.\nEchange de particules\nLes diagrammes les plus simples sont aussi les plus importants. Prenons par exemple le cas de deux particules qui sapprochent, se repoussent puis scartent. Le diagramme le plus simple est le suivant :\nLa particule change porte le nom de boson de jauge et est caractristique de linteraction considre. Le calcul montre que si le boson de jauge est sans masse, lintensit de linteraction diminue comme le carr de la distance. On dit que linteraction est longue porte. Par contre, si le boson de jauge est massif, linteraction diminue trs vite avec la distance, jusqu devenir ngligeable au-del dune distance inversement proportionnelle la masse. On dit que linteraction est courte porte.\nExemple du photon\nDeux charges lectriques, comme des lectrons, interagissent via les champs lectriques et magntiques, cest--dire dans cette thorie, par lchange dtats de vibrations du champ lectromagntique : des photons.\nCi-dessus, le champ lectromagntique est excit, induisant des vibrations, des photons, parce que llectron est coupl ce champ par une grandeur appele charge lectrique. Cest vrai aussi de tout type dinteraction. Les particules sensibles aux interactions le sont en proportion dune grandeur que lon appelle charge et qui est caractristique de ces particules et de linteraction considre.\nLe modle lectrofaible\nWeinberg et Salam crrent un modle unifiant de manire trs lgante le champ lectromagntique et linteraction faible. Les deux drivant (de manire prcise) dun unique champ appel champ lectrofaible. Ce modle dcrit trs bien les processus lectromagntique et faible et a largement t confirm par lexprience. Les bosons de jauge correspondant ont t dtect directement rn 1984.\nLes calculs thoriques de ce modle conduisent lexistence de quatre bosons de jauge. Le premier est celui que vous connaissez bien, cest le photon, responsable des interactions lectromagntiques. Les trois autres sont les bosons , et appels aussi bosons intermdiaires.\nLeur spin est de 1, comme le photon, et la masse des W est de 80.4 GeV et celle du Z de 91.2 GeV (G pour milliard). Les processus avec change dune particule Z neutre sont appels courants neutres et leur mise en vidence fut une des premires confirmations importantes du modle.\nNous constatons que les bosons W et Z sont extrmement massifs (de lordre de kg, soit un million de fois plus lourd quun lectron ou mille fois plus lourd quun proton). Cela signifie que linteraction faible est trs courte porte, moins que la taille dun proton.\nOn peut maintenant mieux dcrire le processus de dsintgration bta.\nUn des quarks d du neutron se transforme en un quark u (plus lger) en mettant un boson . Ce processus, peut efficace vu la faiblesse de cette interaction, peut prendre une vingtaine de minutes. Ce boson, trs instable (il est trs massif et donc se transforme facilement en particules de masses plus faible), se dsintgre en un lectron et un antineutrino. Lessentiel de la masse du boson se retrouve sous forme dnergie cintique de llectron et de lantineutrino. Les calculs effectus grce au modle lectrofaible reproduisent fidlement toutes les proprits de ce processus (notamment le spectre en nergie de llectron qui nous avait mis sur la piste du neutrino).\nModle de linteraction forte\nEn utilisant les outils de la thorie quantique des champs on a pu construire un modle prcis et bien confirms par lexprience de linteraction forte agissant entre les quarks. Cette interaction est lie lchange dune particule appele le gluon, de masse nulle et de spin 1. Ce nom vient de ce quelle colle les quarks ensembles dans les protons et neutrons. La charge correspondante est appele couleur. Elle na rien voir avec la couleur habituelle, cest juste son nom, mais il fut choisi cause dune analogie avec les mlanges de couleurs que nous allons voir.\nLa thorie montre que linteraction forte a un comportement bizarre. Outre quelle est longue porte, son intensit augmente lorsque la distance augmente ! Un comportement indit. Supposons que deux quarks soient trs proches. Essayons de les carter. Linteraction forte les lie de plus en plus fort car son intensit augmente.\nIl faut fournir une nergie norme pour encore les carter. Cest tout fait comme sils taient attachs par une corde. Une tentative de modlisation de linteraction forte par de telles cordes a dailleurs t tente mais sans vritable succs, bien que lingrdient ait rencontr plus tard un grand succs dans la thorie des cordes. Une manire (la seule notre disposition en fait) de fournir une telle nergie est de heurter violemment les quarks avec dautres particules dans les grands acclrateurs de particules. En fournissant suffisamment dnergie, ils finissent par scarter. Mais lnergie fournie est tellement norme quil y a cration de nombreuses particules (en suivant lhabituelle relation liant nergie et masse).\nEt au final, on se retrouve avec de petits groupes de quarks. Impossible dobserver des quarks libres. Ce phnomne est appel le confinement, car les quarks sont confins lintrieur des baryons et des msons. A contrario, sils sapprochent lintensit de linteraction diminue baisse et les quarks sont libres de leur mouvement (mais trs proches). Cela a valu ce genre dinteraction le qualificatif dasymptotiquement libre.\nDes collisions extrmement nergtiques entre noyaux lourds (par exemple du plomb) donnent pendant un court instant une soupe de quarks , une boule de quarks et gluons trs proches, peu lis et se comportant comme un fluide sans viscosit. Leur tude a donn normment dinformations sur linteraction forte. Notons que les calculs sont trs durs, en particulier cause de la forte intensit de linteraction forte qui empche lusage de techniques dapproximations habituellement trs utiles (thorie des perturbations). Il faut des calculs trs lourds sur superordinateur pour calculer les proprits du proton partir des quarks et de linteraction forte, mais ce travail a pu tre men bien.\nPuisque linteraction est lie la charge de couleur, lensemble nest stable que si chaque groupe a une couleur neutre (charge nulle). Quelles sont les valeurs possibles pour cette charge de couleur. On a trois couleurs de base (trois valeurs pour la charge, contrairement deux pour la charge lectrique) : par exemple rouge, bleu, jaune. Le blanc (= neutre) est obtenu par mlange des trois couleurs de base (comme dans la synthse additive en colorimtrie, lanalogie avec la couleur tait donc assez vidente). Les antiparticules ont une couleur complmentaire (violet, orange, vert, ce qui donne six charges de base, beaucoup plus que dans le cas de llectromagntisme, et donc nettement plus complexe). Le blanc est donn aussi par une couleur et son complmentaire (rouge + vert = blanc, par exemple). Cela donne les rgles de construction des particules. On ne peut avoir comme assemblages que trois quarks de couleurs de base diffrente, par exemple le proton de composition uud avec les couleurs rouge, jaune et bleu pour les trois quarks. Ou un quark et antiquark de couleurs complmentaires, par exemple le mson avec les couleurs rouge et vert. de composition\nEchange de gluons\nLes gluons portent aussi une charge de couleur forme dune couleur de base et dune couleur complmentaire (diffrente de la couleur complmentaire de la couleur de base). Par des superpositions quantiques, les rgles de la mcanique quantique permettent de construire huit gluons avec des charges diffrentes. Lchange dun gluon entre deux quarks modifie leur couleur. Par exemple :\nLe quark rouge, envoyant un gluon rouge/orange au quark bleu, devient un quark bleu tandis que le destinataire devient un quark rouge. Il ny a donc pas plusieurs sortes de protons ou de neutrons, selon les couleurs des trois quarks, car ces couleurs schangent en permanence. Notons que les gluons portant une charge de couleur (contrairement aux photons qui nont pas de charge lectrique) sont sensibles eux-aussi linteraction forte et peuvent schanger eux-mmes des gluons. Cela aussi complique fortement les calculs.\nLinteraction entre protons et neutrons ne peut pas se faire par gluons, car ceux-ci tant chargs et sensibles linteraction forte sont confins dans les nuclons avec les quarks, ou trs marginalement juste au contact de deux nuclons. Linteraction ne peut se faire que par une particule composite de charge de couleur neutre, la plus lgre est le mson pi, on retombe sur nos pattes. Le confinement et la masse leve du pi (porte de lordre de quelques diamtres de protons) expliquent la courte porte de cette interaction alors que linteraction forte est de porte infinie. Notons quon identifie souvent interaction nuclaire et forte, ce que nous avions fait jusquici, mais il est plus juste de rserver linteraction forte aux quarks et gluons et linteraction nuclaire aux protons, neutrons et pi. On dit que linteraction nuclaire est une interaction drive de linteraction forte.\nVII. La famille au grand complet\nNous avons presque fait le tour. Compltons les particules connues.\nVII.1. Les neutrinos\nOn a dcouvert trois types de neutrinos, chacun associ aux diffrents leptons chargs :\nle neutrino lectronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Lidentification a pu tre tablie suite aux diffrentes ractions qui se produisent avec eux (cration dans des collisions ou des dsintgrations, interactions). Par exemple, si une dsintgration dun baryon lourd produit un muon, un neutrino muonique est produit avec, et ce neutrino ne pourra lui-mme induire que des ractions associes au muon. Nous avons ainsi trois gnrations de leptons (trois saveurs) : Electron neutrino lectronique. Muon neutrino muonique. Tau neutrino tauique. Lorsquun boson Z se dsintgre, il peut le faire en une paire neutrino antineutrino. Il existe ainsi trois faons pour lui de se dsintgrer en paires de neutrinos antineutrinos, ce qui joue sur sa dure de vie. Plus il a de manire de se dsintgrer et plus vite il peut le faire. Le calcul ainsi que lexprience a montr quil ne devait exister que trois gnrations de particules lmentaires. A moins que la quatrime gnration soit compose de neutrinos ayant une masse extraordinairement leve, ce qui parait improbable vu la masse extrmement faible des trois neutrinos connus.\nLnigme des neutrinos solaires\nProgressivement, de grands dtecteurs de neutrinos furent mis en place. Un des plus clbre tant le grand dtecteur de Kamiokande. Les neutrinos sont trs difficiles dtecter. Ces dtecteurs sont donc de grandes cuves, plus grandes quune piscine, remplies dun liquide appropri tel que leau ou dautres fluides. Ce liquide est ultra pur (puret extrme obtenue en laboratoire) pour viter que parmi les impurets ne se trouvent de rares atomes radioactifs dont la dsintgration viendrait perturber les mesures. Ces dtecteurs sont galement placs sous terre (gnrale dans danciens puits de mine) afin dviter de capter accidentellement des rayons cosmiques. La cuve est entoure de dtecteurs ultra sensibles ne captant que quelques dizaines dvnements par an au maximum. Ds leur construction, une de leur tche fut de dtecter les neutrinos mis par le Soleil. Celui-ci doit sa temprature leve, source de sa lumire, des ractions thermonuclaires en son sein (fusion de noyaux dhydrogne pour former de lhlium). Ces ractions produisent une grande quantit de neutrinos (les hydrognes donnent quatre protons et le noyau dhlium cest deux protons et deux neutrons. Dans la raction on a donc transformation de deux protons en deux neutrons avec mission de deux neutrinos). Ces neutrinos traversent presque tous le Soleil et sont mis dans lespace et donc vers la Terre. Lors des premires mesures, un rsultat inattendu fut obtenu. On nobtenait que le tiers des neutrinos attendus. La quantit attendue ayant t calcule partir de modles de fonctionnement de notre toile. Trois solutions soffraient cette nigme des neutrinos solaires : 1) La dtection des neutrinos est trois fois moins bonne quattendue. Cela semblait trs improbable puisque cette dtection avait pu tre tablie grce la dtection de neutrinos mis par des racteurs nuclaires. Lefficacit des dtecteurs tait trs bien connue. 2) Les modles du Soleil sont faux et il y a trois fois moins de neutrinos quattendus. Cela aussi semblait fort improbable car ces modles, outre quils reproduisent bien les caractristiques de notre toile, sont bass sur des thories fort bien connues et valides : physique\nthermonuclaire, mcanique des fluides, lectromagntisme (rayonnement mis par le Soleil), composition chimique du Soleil (connue par ltude de son spectre lumineux), etc. 3) Les neutrinos oscillent. Nous allons voir de quoi il sagit.\nOscillation des neutrinos\nUne possibilit tait que les neutrinos (lectroniques) mis par le Soleil se tranforment en neutrinos muoniques et tauiques et vice-versa. Ce sont les oscillations de la saveur des neutrinos. Aprs un long trajet, on doit se retrouver peu prs avec un tiers de neutrinos de chaque sorte. Comme le dtecteur utilis ne pouvait dtecter que les neutrinos lectroniques, deux tiers des neutrinos chappaient son attention. Cette hypothse fut confirme par des neutrinos mis par diffrents racteurs nuclaires situs grande distance des dtecteurs (ils peuvent mme tre de lautre ct de la Terre, celle-ci ne constituant pas un obstacle). Des dtecteurs capables de mesurer les neutrinos muoniques et tauiques sont venus achev la dmonstration.\nMasse des neutrinos\nLa thorie montre que les neutrinos ne peuvent osciller que sils ont une masse. Les neutrinos quantiques sont alors des superpositions de plusieurs tats, comme on la vu aussi dans certaines compositions de msons. Mais les tats masse prcise ne concident pas avec les tats saveur prcise . Ainsi, si lnergie (donc la masse) de production est prcise, ce qui est gnralement le cas, on a un mlange de saveurs et ltat observ du neutrino oscille entre les diffrentes saveurs. Ltude des oscillations reste trs dlicate car ils doivent parcourir une grande distance pour se transformer de manire sensible et les neutrinos sont difficiles dtecter. Tous les paramtres ne sont pas encore mesurs avec toute la prcision souhaite et la recherche continue. Pour les mmes raisons, on na pour les masses que des bornes suprieures. Ainsi, la masse du neutrino lectronique est infrieure 0.0000022 eV, la masse du neutrino muonique infrieure 0.17 eV et celle du neutrino tauique infrieure 15.5 eV. Ces valeurs sont extrmement petites, mmes pour le neutrino tauique la borne suprieure est trois millions de fois plus lgre que llectron.\nLes neutrinos ayant un spin, lorsquils se propagent, si on les regarde par derrire on doit avoir une rotation dans un sens ou lautre, cest--dire quil doit avancer comme un vis franaise ou anglaise\nCest ce quon appelle lhlicit. Un lectron peut ainsi avoir une hlicit droite (comme un tirebouchon) note +1 ou gauche note 1. Il se fait que les neutrinos sont toujours gauche. Un fait constat, grce la conservation du spin, dans divers processus impliquant les lectrons et les neutrinos comme la radioactivit bta. Cest ce quon appelle la violation de la symtrie P (limage dun neutrino gauche dans un miroir est un neutrino droit mais ceux-ci nexistent pas). Inversement, les antineutrinos sont toujours droits. Il existe une possibilit : quil y ait aussi bien des neutrinos gauches que des neutrinos droits et que les neutrinos et antineutrinos ne soient quune seule et mme particule, un peu comme le photon. Cest autoris par la thorie et cest ce quon appelle des neutrinos de Majorana. Une possibilit de dtection est lexistence dune double dsintgration bta sans mission de neutrino (lantineutrino mis par un neutron qui se dsintgre est identique un neutrino et peut tre absorb par un autre neutron qui se dsintgre en mettant juste un lectron). Ce processus doit tre extrmement rare et il na pas encore pu tre dtect. De plus labsence de preuve ne constitue pas une preuve dabsence et vrifier que les neutrinos sont diffrents de leur antiparticules reste un dfi.\nVII.2. Complter les quarks\nOn a aussi dcouvert deux autres quarks. Le quark b (bottom ou beau) et le quark t (top ou vrit). Tous les deux dcouvertes au Fermilab respectivement en 1977 et 1995. Le quark b a une masse comprise entre 4100 et 4400 MeV et une charge lectrique -1/3 et le quark t a une masse comprise entre 169100 et 172700 MeV et une charge lectrique +2/3. On a donc l aussi trois gnrations de quarks : u d, s c et b t. Voici la liste de quelques particules msons et baryons incluant le quark b : Particule Composition Spin Masse (MeV) Dure de vie (s) 0 5279 0 5279\n5279 5279 9460.4 5624\nVII.3. Un dernier panorama\n### complter avec les neutrinos Ainsi, la masse du neutrino lectronique est infrieure 0.0000022 eV, la masse du neutrino muonique infrieure 0.17 eV et celle du neutrino tauique infrieure 15.5 eV. Ces valeurs sont ### complter avec les quarks Le quark b a une masse comprise entre 4100 et 4400 MeV et une charge lectrique -1/3 et le quark t a une masse comprise entre 169100 et 172700 MeV et une charge lectrique +2/3. ### complter avec les bosons Leur spin est de 1, comme le photon, et la masse des W est de 80.4 GeV et celle du Z de 91.2 GeV (G Classe Famille Particule Masse Spin Charge Antiparticule Fermions Leptons Electron 0.511 MeV 1/2 -1 Positron Neutrino < 1/2 0 Antineutrino 0.0000022 eV Muon 105.7 MeV 1/2 -1 Antimuon Neutrino < 0.17 eV 1/2 0 Antineutrino Tau 1777 MeV 1/2 -1 Antitau Neutrino < 15.5 eV 1/2 0 Antineutrino Quarks Up 1.5 4 1/2 +2/3 Anti-up (trois couleurs plus MeV trois couleurs Down 4 8 MeV 1/2 -1/3 Anti-Down complmentaires) Strange 80 130 1/2 -1/3 Anti-strange Mev Charm 1150 1/2 +2/3 Anti-charm 1350 MeV Bottom 4100 1/2 -1/3 Anti-bottom 4400 MeV Top 169100 1/2 +2/3 Anti-top 172700 MeV Bosons Photon 0 1 0 Gluon (huit 0 1 0 combinaisons de couleurs et dune couleur complmentaire) 80.4 GeV 1 +1 91.2 GeV 1 0 -\nVIII. Un dernier venu\nA lensemble lgant de particules lmentaires que nous venons de voir, il faut ajouter un dernier membre.\nLe Modle Standard de la physique des particules, utilisant le tableau prcdent et les modles issues de la thorie quantique des champs prdit que les particules ont toutes une masse zro. Cest videmment ennuyant puisque lon sait que les particules ont une masse. Une thorie lgante labore par Englert-Brout-Higgs-Gulranik-Hagen-Kibble permet aux particules dacqurir une masse de manire cohrente avec le reste de la thorie. Cette approche ncessite lexistence dune nouvelle particule appele boson de Higgs. Cette particule donne leur masse aux autres particules par des mcanismes dinteraction avec ces dernires.\nLe Higgs a t mis en vidence rcemment au LHC. Cest un boson scalaire, spin 0, de masse gale 126 MeV.\nUne quatrime interaction fondamentale\nNous avons parl de trois interactions fondamentales (lectromagntique, faible et forte) mais il en manque une : la gravitation universelle. Cest--dire lattraction exerce par les corps massifs. Cette interaction est trs importante car cest elle qui nous maintient au sol et permet la Terre de tourner autour du Soleil. Mais elle fait un peu bande part car elle est dcrite par une toute autre thorie : la relativit gnrale dEinstein (qui est la version relativiste amliore de la thorie de la gravitation de Newton).\nQuantification de la gravit\nOn ne sait pas comment marier la thorie dEinstein avec la mcanique quantique, tout en montrant quun tel mariage est indispensable. Bien que la relativit gnrale dcrive la gravitation comme un champ, le passage la thorie quantique des champs est un parcours min rempli de difficults techniques innombrables. Ou plutt, on a plusieurs thories qui permettent de raliser cette union. Les deux plus labores tant la thorie des cordes et la gravitation quantique boucles. Et l, on se retrouve confront une autre difficult : on ne sait pas dpartager ces thories car nous manquons dinformation exprimentale. Les effets de la gravitation quantique ne se font sentir que dans des domaines qui chappent encore de trs loin nos capacits exprimentales. Toutefois, toutes ces thories prdisent lexistence dune particule : le graviton.\nLe graviton serait la particule change la base de linteraction gravitationnelle, tout comme le photon pour llectromagntisme. Et bien que cette particule reste encore hypothtique, on peut dduire ses proprits de celles de la gravitation bien dcrite par la relativit gnrale. Le graviton doit avoir une masse zro, un spin 2 et il doit tre coupl lnergie (tout comme le photon est coupl la charge lectrique).\nCe couplage est extrmement faible, encore plus faible que linteraction faible. Pensons que nous pouvons soulever un copeau de mtal avec un simple aimant gros comme le pouce alors que ce mme copeau est plaqu au sol par la gravit produite par une plante de la taille de la Terre. Si la gravitation est malgr tout une interaction omniprsente, cest simplement parce quelle est toujours attractive. Il suffit donc davoir une trs grande accumulation de masse (plantes, toiles) pour quelle finisse par tout dominer. Le graviton, vous laurez compris, na pas encore pu tre mis en vidence, mme indirectement. Et il semble assez probable quune telle mise en vidence ne soit pas pour demain cause de la faiblesse de cette interaction et du caractre exotique du domaine o la gravit quantique devient importante (au sein des trous noirs ou pendant la premire fraction de seconde de lexistence de notre univers).\nJean-Marc Richard, Annie Baglin, Antimatire, Encyclopedia Universalis. Jos Leite Lopes, Atome, Encyclopedia Universalis. Michel Baubillier, Compton (effet), Encyclopedia Universalis. Maurice Jacob, Electron, Encyclopedia Universalis. Ren Bimbot, Ren Letolle, Marc Pascaud, Maurice Tubiana, Isotopes, Encyclopedia Universalis. Michel Paty, Neutrinos, Encyclopedia Universalis. Francis Netter, Neutron, Encyclopedia Universalis. Maurice Jacob, Christian Pascaud, Particules lmentaires, Encyclopedia Universalis. Pierre Vernier, Photolectrique (effet), Encyclopedia Universalis. Roland Omns, Proton, Encyclopedia Universalis. Feynman, Leigthon, Sands, Le cours de physique de Feynman, Mcanique quantique, InterEditions, Paris. Claude Itzykson, Jean-Bernard Zuber, Quantum Field Theory, McGraw-Hill International Editions, Physics Series. N. Nelipa, Physique des particules lmentaires, Editions Mir, Moscou. Les particules lmentaires, Les dossiers de La Recherche, Juin-Juillet 2013. Higgs boson, Wikipedia. Particules lmentaires, Wikipedia. Liste des particules, Wikipedia. Baryon, Wikipedia. Mson, Wikipedia.\nDocuments similaires à Les particules élémentaires.pdf\nCours de relativité restreinte.pdf\nLa flèche du temps.pdf\nPlus de Deedee81\nMot Eure Separe e\nSerie Champ Magnetique


assurance animaux exotiques : Comment choisir la meilleure mutuelle ?\nassurance animaux exotiques : Comment bien choisir?\nQuels sont les avantages d’une assurance animaux exotiques ?\nLa assurance animaux exotiques est donc l’option de rêve pour s’en sortir.\nLa assurance animaux exotiques c’est quoi concrètement ?\nLa assurance animaux exotiques est un contrat d’assurance qui permet d’avoir une aide financière dans plusieurs cas de situation comme lors des maladies.\nIl faut savoir que la assurance animaux exotiques prend en compte deux volets de la protection du maitre et de son animal.\nLe contrat de assurance animaux exotiques peut avoir certaines différences en fonction de l’assureur.\nQuels sont les faveurs d’une assurance animaux exotiques ?\nPour éviter de faire face à ces dépenses tout seul, il est impératif de souscrire à une assurance animaux exotiques\nCes différents frais sont pris en charge par la assurance animaux exotiques\nLa assurance animaux exotiques a été conçu sur deux grands niveaux pour prendre en compte l’animal et son maitre.\nDans le but de se faire aider dans ces moments difficiles, il serait intéressant de faire recours à une assurance animaux exotiques\nIl est important de savoir que toutes ces dépenses seront remboursées par la assurance animaux exotiques