1. Introduction
7
réactions du type
e + p → e + p + π
0
e + p → e + n + π
+ + π
0
e + p → e + K
+ +Λ
0
où les mésons π et K et l’hypéron Λ
0
sont de nouvelles particules, dont la
nature importe peu ici. Le point crucial est qu’elles ne sont pas présentes
initialement dans le proton, mais qu’elles sont créées au moment de la réaction.
Il arrive donc un moment où il ne semble plus possible de décomposer
la matière en constituants de plus en plus élémentaires. On peut alors se
poser la question suivante : quel est le critère d’élémentarité ? Le point de
vue actuel est d’appeler élémentaires les particules qui apparaissent comme
ponctuelles dans leurs interactions avec d’autres particules. Avec ce point de
vue, l’électron, le neutrino et le photon sont élémentaires, tandis que le proton
et le neutron sont “composés” de quarks : les guillemets sont importants, car
les quarks n’existent pas à l’état libre
5
, et cette “composition” du proton en
quarks est tout à fait différente de la composition du deutéron en proton et
neutron. Il existe seulement des preuves indirectes (mais convaincantes !) de
cette composition en quarks.
Dans l’état actuel de nos connaissances
6 , il existe trois familles de particules élémentaires, ou “particules de matière” de spin 1/2
7 . Le tableau 1.2
en donne la liste ; la charge électrique q est exprimée en unités de la charge
du proton. Chaque famille se compose de leptons et de quarks, et à chaque
particule correspond une antiparticule de charge opposée. Les leptons de la
première famille sont l’électron et son antiparticule le positron e
+ ,a i n s iq u e
le neutrino électronique ν e et son antiparticule l’antineutrino électronique ν e ,
et les quarks de cette famille sont le quark “up” (u) de charge 2/3 et le quark
“down” (d) de charge –1/3, avec bien sûr les antiquarks u et d correspondants, de charge –2/3 et 1/3, respectivement. Le proton est une combinaison
uud et le neutron une combinaison udd. Cette première famille suffit à notre
vie courante, puisqu’elle permet de fabriquer la matière ordinaire, le neutrino étant indispensable dans le cycle des réactions nucléaires assurant la
bonne marche du Soleil. Si l’existence de la première famille peut se justifier
par un argument anthropocentrique : si elle n’existait pas, nous ne serions
pas là pour en parler ! la raison d’être des deux autres familles reste aujourd’hui tout à fait mystérieuse
8 . Enfin, le “boson de Higgs” est la particule
5. Ce qui fait que la notion de “masse” d’un quark est une notion complexe, du moins
pour les quarks dits “légers”, up, down et étrange. On retrouve une masse (presque) usuelle
pour les quarks lourds b et t.
6. Il existe un argument très fort pour limiter à trois ce nombre de familles : des expériences au CERN ont montré en 1992 que le nombre de familles était limité à trois, à
condition que les neutrinos aient une masse inférieure à 45 GeV/c 2 . La valeur expérimentale
actuelle du nombre de familles est de 2.984 ± 0.008.
7. Le spin 1/2 est défini au chapitre 3 et le spin en général au chapitre 10.
8. Cf. la célèbre interrogation de Rabi : “Who ordered the muon ?”. Cependant, on sait
que chaque famille doit être complète : ainsi l’existence du quark top et sa masse ont été
7
réactions du type
e + p → e + p + π
0
e + p → e + n + π
+ + π
0
e + p → e + K
+ +Λ
0
où les mésons π et K et l’hypéron Λ
0
sont de nouvelles particules, dont la
nature importe peu ici. Le point crucial est qu’elles ne sont pas présentes
initialement dans le proton, mais qu’elles sont créées au moment de la réaction.
Il arrive donc un moment où il ne semble plus possible de décomposer
la matière en constituants de plus en plus élémentaires. On peut alors se
poser la question suivante : quel est le critère d’élémentarité ? Le point de
vue actuel est d’appeler élémentaires les particules qui apparaissent comme
ponctuelles dans leurs interactions avec d’autres particules. Avec ce point de
vue, l’électron, le neutrino et le photon sont élémentaires, tandis que le proton
et le neutron sont “composés” de quarks : les guillemets sont importants, car
les quarks n’existent pas à l’état libre
5
, et cette “composition” du proton en
quarks est tout à fait différente de la composition du deutéron en proton et
neutron. Il existe seulement des preuves indirectes (mais convaincantes !) de
cette composition en quarks.
Dans l’état actuel de nos connaissances
6 , il existe trois familles de particules élémentaires, ou “particules de matière” de spin 1/2
7 . Le tableau 1.2
en donne la liste ; la charge électrique q est exprimée en unités de la charge
du proton. Chaque famille se compose de leptons et de quarks, et à chaque
particule correspond une antiparticule de charge opposée. Les leptons de la
première famille sont l’électron et son antiparticule le positron e
+ ,a i n s iq u e
le neutrino électronique ν e et son antiparticule l’antineutrino électronique ν e ,
et les quarks de cette famille sont le quark “up” (u) de charge 2/3 et le quark
“down” (d) de charge –1/3, avec bien sûr les antiquarks u et d correspondants, de charge –2/3 et 1/3, respectivement. Le proton est une combinaison
uud et le neutron une combinaison udd. Cette première famille suffit à notre
vie courante, puisqu’elle permet de fabriquer la matière ordinaire, le neutrino étant indispensable dans le cycle des réactions nucléaires assurant la
bonne marche du Soleil. Si l’existence de la première famille peut se justifier
par un argument anthropocentrique : si elle n’existait pas, nous ne serions
pas là pour en parler ! la raison d’être des deux autres familles reste aujourd’hui tout à fait mystérieuse
8 . Enfin, le “boson de Higgs” est la particule
5. Ce qui fait que la notion de “masse” d’un quark est une notion complexe, du moins
pour les quarks dits “légers”, up, down et étrange. On retrouve une masse (presque) usuelle
pour les quarks lourds b et t.
6. Il existe un argument très fort pour limiter à trois ce nombre de familles : des expériences au CERN ont montré en 1992 que le nombre de familles était limité à trois, à
condition que les neutrinos aient une masse inférieure à 45 GeV/c 2 . La valeur expérimentale
actuelle du nombre de familles est de 2.984 ± 0.008.
7. Le spin 1/2 est défini au chapitre 3 et le spin en général au chapitre 10.
8. Cf. la célèbre interrogation de Rabi : “Who ordered the muon ?”. Cependant, on sait
que chaque famille doit être complète : ainsi l’existence du quark top et sa masse ont été