Le modèle standard

Salut à tous ! Aujourd'hui j'ai décidé de vous faire un article court et pas très compliqué autour de la Physique des particules et plus précisément du modèle standard. L'objectif de cette article est de vous donner une première vision à peu près claire du monde des particules afin de pouvoir aborder des notions bien plus complexes dans la suite 😉

On va y aller tranquillement et commencer par les bases. Tout d'abord, une particule qu'est ce que c'est ? 

Toute la matière que nous connaissons, les objets solides, liquides, gazeux ou même dans des états étranges sont composés de particules. Ces particules peuvent être des molécules, des atomes, des ions, des électrons ou encore des neutrons (étoile à neutrons). Et bien sachez que la plupart des particules que j'ai cité sont en fait des assemblages de particules encore plus "petites". Et on peut descendre comme ça jusqu'à arriver aux particules que l'on pense indivisibles, ce sont les particules élémentaires. Tous les objets de l'univers sont un agencement particulier de ces particules.

Il existe une théorie qui permet de qualifier et de quantifier ces particules, on l'appelle généralement le modèle standard de la physique des particules. Cette théorie est extrêmement solide et permet de décrire de manière précise les interactions entres particules. Pour les connaisseurs, cette théorie repose sur la théorie quantique des champs; étant donné que nous sommes à très petite échelle, il est nécessaire de considérer les constituants fondamentaux de la matière comme des "champs de probabilité". A partir de là ça devient compliqué ... .

Avant de parler du modèle standard, je crois qu'il est important de voir (ou revoir) quelques notions de base de physique fondamentale en général.

Petits rappels 

Il existe 4 forces d'interaction fondamentales en physique :

  • La force gravitationnelle : C'est celle qui agit à grande échelle et qui est assez faible. On relie la force gravitationnelle à la masse des objets que l'on étudie. Cette force régit les grands ensembles comme les planètes, étoiles, systèmes solaires, galaxies et l'univers.
  • La force électromagnétique : Cette force se décompose en deux sous-catégories, la force de Coulomb qui est en quelque sorte une force électrique et la force de Laplace qui s'apparente à une force magnétique. Ces deux forces sont couplées c'est à dire que l'une ne peut exister sans l'autre. On relie ces deux force à charge électrique de l'objet considéré mais également à sa vitesse. Effectivement, la force de Laplace ne s'exerce que sur des objets chargés et en mouvement. Enfin la force électromagnétique est d'intensité moyenne et agit sur des distances moyennes.
  • L'interaction faible : Elle est responsable des désintégrations radioactives. C'est à travers elle que la stabilité des noyaux atomiques subsiste, c'est aussi elle qui est à l'origine de la libération de l'énergie lorsqu'un noyau se fissionne ou fusionne. Elle se manifeste particulièrement au centre du soleil. Cette interaction agit à courte portée (à l'échelle du noyau) et est beaucoup plus intense que la force électromagnétique.
  • L'interaction forte : Cette force est à l'origine de la stabilité des neutrons et protons du noyau. C'est elle qui fait la cohésion entre les quarks qui constituent les éléments nucléaires. Elle agit donc à très courte portée et est encore plus intense que l'interaction faible.

Intéressons nous maintenant à la matière en elle même, elle se décompose en types de matière : les fermions et les bosons.

  • Les fermions sont des particules qui répondent à la statistique de Fermi-Dirac. Je pense que je ne vous ai pas beaucoup avancé alors je reformule. Disons que ce sont des particules qui ne peuvent pas être dans le même état quantique (principe d'exclusion de Pauli). En gros, ces particules ne peuvent pas se trouver au même endroit avec la même charge électrique, le même spin ... . Autrement dit, pour un ensemble qui ne contiendrait que des fermions, il existerait un terme de pression.
  • Les bosons sont un autre type de particules qui eux répondent à la statistique de Bose-Einstein. En ce sens, elle peuvent toutes être dans le même état quantique (même vitesse, même position, même spin etc ...).

Je pense que ce bagage vous permettra de comprendre la suite.

Qu'est ce que le modèle standard de la physique des particules ? 

Grosso modo c'est ça :

Le modèle standard présence 24 particules dites élémentaires. On y trouve les quarks, les leptons ainsi que les bosons de jauge. Ces particules sont à l'origine de toute la matière et les interactions que l'on connait. [Source : Wikipedia]
Le modèle standard présence 24 particules dites élémentaires. On y trouve les quarks, les leptons ainsi que les bosons de jauge. Ces particules sont à l'origine de toute la matière et les interactions que l'on connait. [Source : Wikipedia]

Le modèle standard permet non seulement de définir les constituants élémentaires de la matière mais elle permet également de décrire sous forme de particules les interactions fondamentales de la physique hormis la gravitation qui est un peu particulière.

Comme vous pouvez le constater sur le schéma ci-dessus, chaque particule est décrite par une masse, une charge et un spin.

La masse de la particule, c'est la masse classique, celle que vous connaissez bien que certains scientifiques se posent la question de savoir si cette masse correspond à une masse grave ou une masse inertielle. On aime bien définir les particules non pas par leur masse mais par leur énergie et ceux pas la relation E = mc^2, masse qui s'exprimera en électron-volt (eV).

La charge de la particule est simplement la charge électrique que vous connaissez à la seule différence près qu'elle est définie à partir de celle de l'électron. Par exemple, lorsqu'on dit que le quark up possède une charge électrique 2/3, c'est en fait 2/3\times e avec e = 1.6\times 10^{-19} C la charge de l'électron.

Le spin est une valeur intrinsèque à la particule étudiée. Rigoureusement, c'est un nombre quantique qui permet de définir avec précision l'énergie de la particule. On peut généralement voir le spin d'une particule comme une rotation sur elle même de celle-ci bien que cette représentation soit fausse. Contrairement à la charge électrique, le spin n'est pas normalisé et ce que vous voyez sur le schéma, c'est la vraie valeur du spin.

Les particules qui composent le modèle standard

On divise les particules du modèle standard en trois familles : les quarks, les leptons et les bosons de jauge.

  • Les Quarks : Ce sont les constituants élémentaires de la matière fermionique qui sont à l'origine de la matière baryonique c'est à dire les protons, les neutrons et d'autres particules un peu spéciales. Les quarks interagissent entre eux par l'intermédiaire du gluon qui est un boson de jauge vecteur de l'interaction forte. En réalité, pour les quarks, il existe une sorte de charge que l'on appelle charge de couleur (rouge, bleu et vert) qui permet de caractériser les interactions entre quarks. On parle alors de chromodynamique quantique. Les quarks sont particuliers dans le sens ou nous n'avons jamais réussi à les isoler. Ils sont toujours en groupe.
  • Les Leptons : Les leptons à l'inverse des quarks sont des particules que l'on peut trouver de manière isolée, cette famille se décompose en deux sous familles : les leptons chargés et les neutrinos leptoniques. Les leptons chargés sont des particules de charge e et de masse assez élevée alors que les neutrinos ne possèdent pas de charge électrique et une masse si faible que l'on a jamais réussi à la déterminer. Les leptons interagissent avec les autres particules par l'intermédiaire de l’interaction faible, l'interaction forte et électromagnétique.
  • Les bosons de Jauge : Les bosons de jauge sont des particules vecteur des interactions fondamentales. Ils sont particuliers dans le sens ou ils sont superposables à l'infini. On y trouve le gluon qui est le vecteur de l'interaction forte, le photon qui est le vecteur de l'interaction électromagnétique et les bosons Z^0 et W^{\pm} qui ont la particularité d'être chargés pour les bosons W^{\pm} et d'avoir une masse, ces bosons sont les vecteurs de l'interaction faible.
  • Enfin il y a le boson de Higgs qui est un boson très particulier puisqu'il permet de définir la masse des autres particules. Nous verrons plus tard son utilité précise.

Voilà pour ce petit tour du côté de la physique des particules, je n'ai pas trop voulu détailler cette théorie car je voulais d'abord vous la présenter de manière à peu près simple, mais aussi pour des questions de surcharge de travail. Dans un futur proche, je ferai des articles bien plus précis autour de la physique des particules et qui s'appuieront sur cet article ci, je vous préviens, il y a ÉNORMÉMENT de choses à dire !

Sur ceux, j'espère que vous avez aimé cet article. N'hésitez pas à le partager, à le commenter et à m'envoyer un petit message si vous avez des questions en particulier ou encore si j'ai écrit des conneries.


Quelques sources intéressantes pour comprendre la physique des particules :   

  • [Wikipedia : Modèle standard] - L'incontournable évidement. Bien que difficile à lire, les informations sont présentes.
  • [Molaire1 ] - Voici un petit site internet intéressant qui aborde pas mal de physique à propos de l'infiniment petit et ce de manière simple en concise.

2 commentaires sur “Le modèle standard”

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