Les particules élémentaires sont les plus petits éléments constitutifs connus de l'univers. On pense qu'ils n'ont pas de structure interne, ce qui signifie que les chercheurs les considèrent comme des points de dimension zéro qui ne prennent pas de place. Les électrons sont probablement les particules élémentaires les plus connues, mais le modèle standard de physique, qui décrit les interactions des particules et de presque toutes les forces, reconnaît 10 particules élémentaires totales.
Electrons et particules apparentées
Les électrons sont les composants des atomes chargés négativement. Alors qu'ils sont considérés comme des particules ponctuelles de dimension zéro, les électrons sont entourés par un nuage d'autres particules virtuelles clignotant constamment dans et hors de l'existence, qui agissent essentiellement comme faisant partie de l'électron lui-même. Certaines théories ont prédit que l'électron a un pôle légèrement positif et un pôle légèrement négatif, ce qui signifie que ce nuage de particules virtuelles devrait donc être un peu asymétrique.
Si tel était le cas, les électrons pourraient se comporter différemment de leurs doubles d'antimatière, les positrons, expliquant potentiellement de nombreux mystères sur la matière et l'antimatière. Mais les physiciens ont mesuré à plusieurs reprises la forme d'un électron et l'ont trouvé parfaitement rond au meilleur de leurs connaissances, les laissant sans réponses pour les énigmes de l'antimatière.
L'électron a deux cousins plus lourds, appelés le muon et le tau. Les muons peuvent être créés lorsque des rayons cosmiques de haute énergie de l'espace extra-atmosphérique atteignent le sommet de l'atmosphère terrestre, générant une pluie de particules exotiques. Les taus sont encore plus rares et plus difficiles à produire, car ils sont plus de 3 400 fois plus lourds que les électrons. Les neutrinos, les électrons, les muons et les taus constituent une catégorie de particules fondamentales appelées leptons.
Les quarks et leur bizarrerie
Les quarks, qui constituent des protons et des neutrons, sont un autre type de particule fondamentale. Avec les leptons, les quarks constituent ce que nous considérons comme de la matière.
Il était une fois, les scientifiques pensaient que les atomes étaient les plus petits objets possibles; le mot vient du grec «atomos» qui signifie «indivisible». Au tournant du 20e siècle, les noyaux atomiques se sont avérés être constitués de protons et de neutrons. Puis, tout au long des années 1950 et 1960, les accélérateurs de particules ont continué à révéler une multitude de particules subatomiques exotiques, telles que les pions et les kaons.
En 1964, les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig ont indépendamment proposé un modèle qui pourrait expliquer le fonctionnement interne des protons, des neutrons et du reste du zoo de particules, selon un rapport historique du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie. À l'intérieur des protons et des neutrons se trouvent de minuscules particules appelées quarks, qui existent en six types ou saveurs possibles: haut, bas, étrange, charme, bas et haut.
Les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down, tandis que les neutrons sont composés de deux downs et d'un up. Les quarks de haut en bas sont les variétés les plus légères. Parce que les particules plus massives ont tendance à se désintégrer en particules moins massives, les quarks de haut en bas sont également les plus courants dans l'univers; par conséquent, les protons et les neutrons constituent l'essentiel de la matière que nous connaissons.
En 1977, les physiciens avaient isolé cinq des six quarks du laboratoire - haut, bas, étrange, charme et fond - mais ce n'est qu'en 1995 que les chercheurs du Fermilab National Accelerator Laboratory dans l'Illinois ont trouvé le quark final, le quark top. Sa recherche avait été aussi intense que la dernière chasse au boson de Higgs. Le quark top était si difficile à produire car il est environ 100 billions de fois plus lourd que les quarks up, ce qui signifie qu'il a fallu beaucoup plus d'énergie pour produire dans les accélérateurs de particules.
Particules fondamentales de la nature
Ensuite, il y a les quatre forces fondamentales de la nature: l'électromagnétisme, la gravité et les forces nucléaires fortes et faibles. Chacun d'eux a une particule fondamentale associée.
Les photons sont les plus connus; ils portent la force électromagnétique. Les gluons transportent la force nucléaire puissante et résident avec des quarks à l'intérieur des protons et des neutrons. La force faible, qui intervient dans certaines réactions nucléaires, est portée par deux particules fondamentales, les bosons W et Z. Les neutrinos, qui ne ressentent que la force et la gravité faibles, interagissent avec ces bosons, et les physiciens ont donc pu d'abord prouver leur existence à l'aide de neutrinos, selon le CERN.
La gravité est un étranger ici. Il n'est pas incorporé dans le modèle standard, bien que les physiciens soupçonnent qu'il pourrait y avoir une particule fondamentale associée, qui serait appelée le graviton. Si des gravitons existent, il pourrait être possible de les créer au Grand collisionneur de hadrons (LHC) à Genève, en Suisse, mais ils disparaîtraient rapidement dans des dimensions supplémentaires, laissant derrière eux une zone vide où ils auraient été, selon le CERN. Jusqu'à présent, le LHC n'a vu aucune preuve de gravitons ou de dimensions supplémentaires.
L'insaisissable boson de Higgs
Enfin, il y a le boson de Higgs, le roi des particules élémentaires, qui est chargé de donner à toutes les autres particules leur masse. La chasse aux Higgs était une entreprise majeure pour les scientifiques qui s'efforçaient de compléter leur catalogue du modèle standard. Lorsque le Higgs a finalement été repéré, en 2012, les physiciens se sont réjouis, mais les résultats les ont également laissés dans une situation difficile.
Le Higgs ressemble à peu près exactement à ce qu'il était prévu, mais les scientifiques espéraient plus. Le modèle standard est connu pour être incomplet; par exemple, il manque une description de la gravité, et les chercheurs pensaient que trouver le Higgs aiderait à mettre en évidence d'autres théories qui pourraient remplacer le modèle standard. Mais jusqu'à présent, ils sont venus vides dans cette recherche.
Additionnel Ressources:
