Chapitre 26 • Physique nucléaire
26.7 PHYSIQUE DES PARTICULES
Ayant mis en évidence des particules inconnues auparavant et ayant conduit à développer des accélérateurs fournissant des faisceaux de particules d’énergie croissante, la
physique nucléaire s’est orientée (à partir des années 1950) vers la physique des particules élémentaires et des interactions ou physique des hautes énergies ; de nombreuses
particules, élémentaires ou pas, sont apparues. Au début des années 1960, une profusion
de particules soumises à l’interaction forte (hadrons) est mise en évidence dans les
chocs de haute énergie.
À presque chaque particule correspond une antiparticule distincte ayant mêmes caractéristiques mécaniques (masse, moment cinétique de spin) mais une valeur opposée des
autres caractéristiques (charge, moment magnétique de spin, étrangeté, ...) ; le photon
est sa propre antiparticule.
On observe de nombreuses réactions comme :
• des désintégrations : m
− → e
− + n m + n m , K
0 → p
0 + p
0 , p
− → e
− + n e ;
• des matérialisations : e
− + e
− → e
− + e
− + e
− + e
+ ;
• des annihilations : e
+ + e
− → g + g ;
Axiome
Plus généralement que dans les réactions nucléaires, dans une réaction ou une
désintégration en physique des particules, se conservent :
le nombre de baryons plutôt que de nucléons (p
+ ,n,L ,S
+ ,S
0 ,S
− ,J
0 ,J
− ,V
− ) ,
leurs antiparticules (p
− ,n,L
0 ,S
− ,S
0 ,S
+ ,J
0 ,J
+ ,V
+ ) comptant pour – 1,
le nombre de leptons électroniques (e
− ,n), mais aussi le nombre de leptons muoniques (m
− ,n m ), leurs antiparticules (e
+ et n , m
+ et n m ) comptant pour – 1.
La Théorie quantique des champs (P.M. Dirac, 1927 ; S. Tomonaga, J. Schwinger,
R. Feynman, 1948), théorie quantique relativiste, conduit à décrire les interactions
comme un échange de particules virtuelles. La notion de quarks (M. Gell-Mann, 1964)
permet de considérer les hadrons comme formés de deux quarks (cas des baryons comme
le proton, le neutron, l’V
- , ...) ou de trois quarks (cas des mésons comme le pion p
- ...).
La Théorie électrofaible (A. Salam et S. Weinberg, 1967) unifie l’Electrodynamique
quantique et l’interaction faible (responsable des désintégrations b). La Chromodynamique quantique QCD (D. Gross, D. Politzek et F. Wilczek, 1973) décrit l’interaction
forte au niveau des quarks et des gluons.
Le Modèle standard écrit les particules élémentaires et des interactions fondamentales (hors gravitation) sur la base de la Chromodynamique quantique QCD et de la
Théorie électrofaible. Il comporte (figure 26.3) :
• 12 fermions (6 quarks et 6 leptons) et les 12 antiparticules correspondantes ;
• 3 interactions (avec leurs particules-vecteurs associées) : interaction forte (avec les 8
gluons), interaction électromagnétique (avec le photon), l’interaction faible (avec les
bosons W
± et Z
0 ).
536
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 536 — #546
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26.7 PHYSIQUE DES PARTICULES
Ayant mis en évidence des particules inconnues auparavant et ayant conduit à développer des accélérateurs fournissant des faisceaux de particules d’énergie croissante, la
physique nucléaire s’est orientée (à partir des années 1950) vers la physique des particules élémentaires et des interactions ou physique des hautes énergies ; de nombreuses
particules, élémentaires ou pas, sont apparues. Au début des années 1960, une profusion
de particules soumises à l’interaction forte (hadrons) est mise en évidence dans les
chocs de haute énergie.
À presque chaque particule correspond une antiparticule distincte ayant mêmes caractéristiques mécaniques (masse, moment cinétique de spin) mais une valeur opposée des
autres caractéristiques (charge, moment magnétique de spin, étrangeté, ...) ; le photon
est sa propre antiparticule.
On observe de nombreuses réactions comme :
• des désintégrations : m
− → e
− + n m + n m , K
0 → p
0 + p
0 , p
− → e
− + n e ;
• des matérialisations : e
− + e
− → e
− + e
− + e
− + e
+ ;
• des annihilations : e
+ + e
− → g + g ;
Axiome
Plus généralement que dans les réactions nucléaires, dans une réaction ou une
désintégration en physique des particules, se conservent :
le nombre de baryons plutôt que de nucléons (p
+ ,n,L ,S
+ ,S
0 ,S
− ,J
0 ,J
− ,V
− ) ,
leurs antiparticules (p
− ,n,L
0 ,S
− ,S
0 ,S
+ ,J
0 ,J
+ ,V
+ ) comptant pour – 1,
le nombre de leptons électroniques (e
− ,n), mais aussi le nombre de leptons muoniques (m
− ,n m ), leurs antiparticules (e
+ et n , m
+ et n m ) comptant pour – 1.
La Théorie quantique des champs (P.M. Dirac, 1927 ; S. Tomonaga, J. Schwinger,
R. Feynman, 1948), théorie quantique relativiste, conduit à décrire les interactions
comme un échange de particules virtuelles. La notion de quarks (M. Gell-Mann, 1964)
permet de considérer les hadrons comme formés de deux quarks (cas des baryons comme
le proton, le neutron, l’V
- , ...) ou de trois quarks (cas des mésons comme le pion p
- ...).
La Théorie électrofaible (A. Salam et S. Weinberg, 1967) unifie l’Electrodynamique
quantique et l’interaction faible (responsable des désintégrations b). La Chromodynamique quantique QCD (D. Gross, D. Politzek et F. Wilczek, 1973) décrit l’interaction
forte au niveau des quarks et des gluons.
Le Modèle standard écrit les particules élémentaires et des interactions fondamentales (hors gravitation) sur la base de la Chromodynamique quantique QCD et de la
Théorie électrofaible. Il comporte (figure 26.3) :
• 12 fermions (6 quarks et 6 leptons) et les 12 antiparticules correspondantes ;
• 3 interactions (avec leurs particules-vecteurs associées) : interaction forte (avec les 8
gluons), interaction électromagnétique (avec le photon), l’interaction faible (avec les
bosons W
± et Z
0 ).
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