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PARTICULES ET
INTERACTIONS
Dans toute étude physique, il est essentiel de commencer par définir le système à décrire. Dans notre cas, il s'agit de définir ce que sont les particules et leurs interactions.
La nature du système physique va également imposer le cadre formel dans lequel un
modèle théorique pouna être développé. En partant de la structure de la matière ordinaire et en ajoutant d'autres particules découvertes tout au long du xxe siècle, nous
allons ainsi tracer les contours du modèle standard de la physique des particules.
1.1 LA MATIÈRE ORDINAIRE
1.1.1 Particules et interactions
La matière qui nous entoure est composée d'atomes en interaction les uns avec les
autres. Il existe une centaine d'espèces chimiques différentes et cette multiplicité
s'explique par une sous-structure : au cœur de l'atome le noyau est composé de protons, chargés positivement, et de neutrons, neutres comme leur nom l'indique. Ce
noyau est entouré d'un cortège d'électrons, chargés négativement, en même nombre
que les protons pour assurer la neutralité électrique del' atome. Toute la matière ordinaire est ainsi composée de trois briques fondamentales : p, n et e- . Elles possèdent
toutes un moment cinétique intrinsèque de spin J = ~. Ce sont donc des fermions
qui vérifient le principe d'exclusion de Pauli. Ce principe postule que deux fermions
ne peuvent occuper le même état quantique et permet ainsi d'assurer l'existence de
matière.
L'essentiel de la physique de la matière (physique atomique, physique de la matière
condensée, chimie) est gouvernée par une unique interaction, l'électromagnétisme.
Dans sa formulation classique cette interaction est décrite par un champ électromagnétique dont l'évolution suit les équations de Maxwell. La théorie quantique unifie
les concepts classiques de particule et de champ, en un unique objet que nous continuerons d'appeler« particule» par la suite. Ainsi, la quantification du champ électromagnétique se traduit sous la forme d'une nouvelle particule, le photon y. C'est une
particule de spin J = 1, soit un boson.
La physique nucléaire, qui s'intéresse aux propriétés du noyau atomique, nécessite
d'introduire deux interactions (ou forces) supplémentaires :
• L'interaction nucléaire forte assure la cohésion du noyau. Ce dernier étant composé uniquement de charges électriques positives et nulles devrait naturellement
se dissocier sous l'effet de la répulsion coulombienne. La stabilité du noyau (et
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Dans toute étude physique, il est essentiel de commencer par définir le système à décrire. Dans notre cas, il s'agit de définir ce que sont les particules et leurs interactions.
La nature du système physique va également imposer le cadre formel dans lequel un
modèle théorique pouna être développé. En partant de la structure de la matière ordinaire et en ajoutant d'autres particules découvertes tout au long du xxe siècle, nous
allons ainsi tracer les contours du modèle standard de la physique des particules.
1.1 LA MATIÈRE ORDINAIRE
1.1.1 Particules et interactions
La matière qui nous entoure est composée d'atomes en interaction les uns avec les
autres. Il existe une centaine d'espèces chimiques différentes et cette multiplicité
s'explique par une sous-structure : au cœur de l'atome le noyau est composé de protons, chargés positivement, et de neutrons, neutres comme leur nom l'indique. Ce
noyau est entouré d'un cortège d'électrons, chargés négativement, en même nombre
que les protons pour assurer la neutralité électrique del' atome. Toute la matière ordinaire est ainsi composée de trois briques fondamentales : p, n et e- . Elles possèdent
toutes un moment cinétique intrinsèque de spin J = ~. Ce sont donc des fermions
qui vérifient le principe d'exclusion de Pauli. Ce principe postule que deux fermions
ne peuvent occuper le même état quantique et permet ainsi d'assurer l'existence de
matière.
L'essentiel de la physique de la matière (physique atomique, physique de la matière
condensée, chimie) est gouvernée par une unique interaction, l'électromagnétisme.
Dans sa formulation classique cette interaction est décrite par un champ électromagnétique dont l'évolution suit les équations de Maxwell. La théorie quantique unifie
les concepts classiques de particule et de champ, en un unique objet que nous continuerons d'appeler« particule» par la suite. Ainsi, la quantification du champ électromagnétique se traduit sous la forme d'une nouvelle particule, le photon y. C'est une
particule de spin J = 1, soit un boson.
La physique nucléaire, qui s'intéresse aux propriétés du noyau atomique, nécessite
d'introduire deux interactions (ou forces) supplémentaires :
• L'interaction nucléaire forte assure la cohésion du noyau. Ce dernier étant composé uniquement de charges électriques positives et nulles devrait naturellement
se dissocier sous l'effet de la répulsion coulombienne. La stabilité du noyau (et
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