Modèle standard (physique)

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Le Modèle Standard est une théorie qui s'applique aux objets quantiques et qui tente d'expliquer leurs interactions. Elle est bâtie sur le triptyque particule, force, médiateur, c'est-à-dire qu'elle distingue des familles de particules par les forces auxquelles elles sont sensibles, chaque force s'exerçant au moyen de médiateurs échangés par les particules qui y sont soumises.

Image:GonioX.jpg Articles de science physique quantique

Théorie quantique

Électrodynamique quantique

Mécanique quantique

Théorie des champs

Modèle standard

Statistique quantique

Statistique de Bose-Einstein

Statistique de Fermi-Dirac

Statistique de Boltzmann

Auteurs

Bohr ─ de Broglie

Bose ─ Einstein

Fermi ─ Dirac

Heisenberg ─ Pauli

Schrödinger ─ Feynman

Expériences

Formulaire

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Sommaire 1 Bref historique 2 Les particules ou quanta de matière 3 Les forces fondamentales de l'univers 4 Les particules ou quanta de champ

Bref historique

A la suite de Rutherford qui a démontré que les atomes étaient constitués d'un noyau, agglomérat de protons et de neutrons, autour duquel tournaient des électrons, de nombreuses expériences de collisions atomiques ont eu lieu, faisant apparaître des centaines de particules. Pour s'y retrouver, les physiciens ont essayé de classer ces particules.

Pour commencer, ils distinguèrent entre particules ( ou quanta ) de matière et de champ. Puis ils classèrent les particules de matière, de loin les plus nombreuses, en trois catégories suivant leur masse :

• les leptons ( du grec leptos = léger ) , comme l'électron ou le neutrino ;
• les mésons ( du grec mesos = moyen ) , comme le méson π ;
• les baryons ( du grec barys = lourd ) , comme le proton ou le neutron.

Protons et neutrons furent qualifiés de nucléons en raison de leur rôle essentiel dans les noyaux atomiques et de leurs masses voisines. Les autres baryons furent appelés hypérons.

Les physiciens constatèrent par ailleurs qu'à chacune de ces particules correspondait une antiparticule de même masse, mais dont les autres caractéristiques étaient opposées ( par exemple, au proton correspond un antiproton de charge électrique négative, et à l'électron correspond un positron de charge électrique positive . . .).

Ils découvrirent ensuite que mésons et baryons étaient en fait des particules composées, qu'ils regroupèrent alors sous le vocable de hadrons (du grec hadros = fort).

Ils ont ainsi abouti au Modèle Standard, organisé autour du triptyque ( quantum de matière, champ quantique, quantum de champ associé ) déjà mentionné plus haut.

Les particules ou quanta de matière

Les particules élémentaires de matière sont des fermions. Les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac ; ils sont donc de spin demi-entier ( 2k + 1 ) / 2 et sont soumis au principe d'exclusion de Pauli.

Les particules élémentaires de matière se répartissent en leptons et en quarks, suivant trois générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. Seules les particules de première génération forment la matière ordinaire. En effet, les protons sont formés de deux quarks up et d'un down, tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux down. Les particules de deuxième et troisième générations sont instables et se désintègrent rapidement en particules de première génération, plus légères.

Le tableau suivant énumère ces différentes particules élémentaires de matière ; la charge électrique de chacune est indiquée, l'unité élémentaire étant la charge du proton, soit 1,602.10 ^-19 Coulomb.

.	leptons		quarks
charge électrique	- 1	0	- 1 / 3			+ 2 / 3
charge de couleur	Blanche	Blanche	Bleue	Verte	Rouge	Bleue	Verte	Rouge
1 ère génération	électron	neutrino électronique	Bas (down)			Haut (up)
2 ème génération	muon	neutrino muonique	Etrange (strange)			Charme (charm)
3 ème génération	tauon	neutrino taunique	Beauté (bottom)			Vérité (top)

Les quarks ne peuvent exister isolément. Ils se présentent le plus souvent sous forme de paires quark-antiquark ( les mésons ), ou de trios de quarks ( les baryons ) , mais ce n'est pas toujours le cas : des expériences récentes ont fait apparaître des particules formées de quatre quarks et un antiquark, abusivement dénommées pentaquarks.

Les forces fondamentales de l'univers

Elles sont au nombre de quatre :

1. la force de gravitation : elle s'exerce sur toutes les particules proportionnellement à leur masse ;
2. la force électromagnétique : elle s'exerce sur les particules de matière électriquement chargées ;
3. la force nucléaire faible : elle concerne seulement certains quarks et leptons et est responsable des radioactivités β^- et β⁺.
4. la force de couleur, qui s'exerce entre les quarks, et dont dérive la force nucléaire forte , qui assure la cohésion du noyau atomique ;

Ces quatre forces sont décrites respectivement par quatre théories :

1. la relativité générale,
2. l'électrodynamique quantique,
3. la théorie électrofaible (en fait , elle associe force faible et force électromagnétique et englobe donc l'électrodynamique quantique),
4. la chromodynamique quantique,

les trois dernières étant regroupées dans le « modèle standard ».

Les particules ou quanta de champ

Pour chacune des forces fondamentales, il existe des particules dites de champ supports de ces forces. Ce sont des bosons, c'est-à-dire qu'elles obéissent à la statistique de Bose-Einstein. Les bosons ont un spin entier et peuvent s'accumuler dans le même état.

Les particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont un temps de vie extrêmement bref et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à transmettre les forces fondamentales. C'est d'ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées particules messagères ou médiateurs.

Nous avons ainsi :

1. le graviton (de spin 2) pour la force de gravitation ; il n'a pas été observé jusqu'ici ;
2. le photon « γ » ( de spin 1, et de masse et charge nulles) pour la force électromagnétique ;
3. 3 bosons intermédiaires (de spin 1 et de masse élevée) , dits aussi bosons faibles , pour la force faible : les bosons « W ⁺ » , « W ^- » et « Z ⁰ » ;
4. 8 gluons (de spin 1 et de masse nulle) pour la force de couleur.

A ces particules , il faut ajouter un ou plusieurs bosons de Higgs , supposés conférer leur masse aux autres particules par un mécanisme de brisure de symétrie. Il n'a pas encore été officiellement détecté de tels bosons , quoique l'on soupçonne leur trace dans certaines collisions observées au CERN.