La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes énergies car de nombreuses particules élémentaires, instables, n'existent pas à l'état naturel et peuvent seulement être détectées lors de collisions à hautes énergies entre particules stables dans les accélérateurs de particules.

Sommaire

[masquer] 1 Historique

o 1.1 Les grandes dates

2 Classement des particules subatomiques

o 2.1 Leptons, hadrons et quarks

2.1.1 Leptons

2.1.2 Hadrons

2.1.3 Quarks

2.1.4 Gluons

o 2.2 Existence de trois familles

o 2.3 Bosons et fermions

o 2.4 Particules et antiparticules

o 2.5 Interactions et champs

2.5.1 Interaction électromagnétique

2.5.2 Interaction faible

2.5.3 Interaction électrofaible

2.5.4 Interaction forte

2.5.5 Interaction gravitationnelle

o 2.6 Tableau récapitulatif

3 Modèle standard

4 Principales interactions avec la matière

o 4.1 Particules chargées

4.1.1 Particules légères : électrons, positrons

4.1.2 Particules lourdes : muons, protons, alpha, pions

o 4.2 Particules non chargées

4.2.1 Photons

4.2.2 Neutrons

4.2.3 Neutrinos

5 Production et détection des particules

6 Notes et références

7 Voir aussi

o 7.1 Articles connexes

o 7.2 Bibliographie récente

o 7.3 Liens externes

Historique[modifier]

L'idée que la matière se compose de particules élémentaires date au moins du VI e   siècle av.   J.- C.. À l'époque, elle reposait au fond sur l'incapacité à maîtriser la notion de continu : voir les paradoxes de Zénon d'Élée.

La doctrine philosophique de l'atomisme a été étudiée par les philosophes grecs, tels que Leucippe, Démocrite et Épicure. Bien qu'au XVII e   siècle , Isaac Newton ait pensé que la matière soit composée de particules, c'est John Dalton qui, en 1802, énonça formellement que tout est constitué d'atomes minuscules. Cette hypothèse ne devint réellement scientifique qu'à partir du moment où l'on sut estimer la taille des atomes (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin)

En 1869, le premier tableau périodique de Mendeleïev permit d'affermir le point de vue prévalant durant tout le XIX e   siècle que la matière était faite d'atomes. Les travaux de Thomson établirent que les atomes sont composés d'électrons légers et de protons massifs. Rutherford établit que les protons sont concentrés dans un noyau compact. Initialement, on pensait que le noyau était seulement constitué de protons et d'électrons confinés (afin d'expliquer la différence entre la charge et le nombre de masse), mais ultérieurement il s'avéra qu'il était constitué de protons et de neutrons.

Au XX e   siècle , les progrès de la physique nucléaire et de la physique quantique, avec les preuves spectaculaires de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, donnèrent naissance à une industrie capable de produire un atome à partir d'un autre, rendant même possible (mais non rentable économiquement) la transmutation de plomb en or.

Tout au long des années 1950 et des années 1960, une variété ahurissante de particules a été trouvée lors d'expériences de collision : un « zoo de particules ». Cette expression perdit de son intérêt après la formulation du modèle standard dans les années 1970, car le grand nombre de ces particules put être conçu comme résultant de combinaisons d'un relativement petit nombre de particules fondamentales, encore que le calcul des propriétés des particules composées en soit encore à ses balbutiements, et que les nombreux paramètres du modèle standard n'aient pas trouvé d'explication satisfaisante pour leurs valeurs.

Les grandes dates[modifier]

1873  : Maxwell réalise d'importantes recherches dans quatre domaines : la vision de la couleur, la théorie moléculaire, l'électricité et le magnétisme. Il arrive à unifier les deux derniers par une théorie unique, l'électromagnétisme. Cette théorie de Maxwell permet de décrire la propagation des ondes lumineuses dans le vide et d'en prédire un spectre de fréquences théoriquement illimité.

1874  : George Stoney développe la théorie de l'électron et estime sa masse.

1895  : Röntgen découvre les rayons X.

1896  : Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium.

1897  : Thomson découvre l'électron et crée un modèle où l'atome est décrit comme une entité de charge neutre (contenant un noyau positif avec de petits électrons négatifs).

1898  : Marie et Pierre Curie séparent les éléments radioactifs.

1900  : Planck, afin d'interpréter les variations de couleur d'un corps incandescent en fonction de la température, et de résoudre certains problèmes mathématiques liés à ce problème, suggère un artifice : le rayonnement est quantifié (pour chaque fréquence, il est émis par paquets d'énergie, de valeur, ou quantum, dépendant de la fréquence).

1905  : Einstein propose qu'un quantum de lumière, qui sera nommé en 1926 « photon », se comporte comme une particule. Les autres théories d'Einstein expliquent l'équivalence de la masse et de l'énergie, la dualité onde-particule des photons, le principe d'équivalence et la relativité restreinte.

1909  : Hans Geiger et Ernest Marsden, sous la responsabilité de Rutherford, envoient des particules alpha sur une mince feuille d'or et observent parfois de grands angles de diffusion, ce qui suggère l'existence d'un noyau positivement chargé, petit et dense (la collision est rare) à l'intérieur de l'atome.

1911  : Rutherford conclut à l'existence du noyau comme résultat de l'expérience de diffusion alpha réalisée par Geiger et Marsden.

1913  : Bohr construit la théorie de la structure atomique basée sur des hypothèses quantiques.

1919  : Rutherford prouve l'existence du proton.

1921  : Chadwick et E.S. Bieler concluent qu'une force de grande intensité maintient le noyau uni, malgré la répulsion électrostatique coulombienne entre protons.

1923  : Compton découvre la nature quantique (particulaire) des rayons X, confirmant que les photons sont des particules.

1924  : de Broglie propose des propriétés ondulatoires pour les particules formant la matière.

1925  : Pauli formule le principe d'exclusion pour les électrons à l'intérieur d'un atome. W. Bothe et Geiger démontrent que l'énergie et la masse sont conservées dans les processus atomiques.

1926  : Schrödinger développe la mécanique ondulatoire, qui décrit le comportement des systèmes quantiques pour les bosons. Born donne une interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Lewis propose le nom de photon pour le quantum de lumière.

1927  : Découverte de la désintégration β.

1928  : Dirac propose son équation d’onde relativiste pour l’électron.

1930  : Pauli suggère l’existence d'un neutrino invisible, afin d'interpréter l'apparente disparition de l'énergie dans la désintégration β.

1930  : Particules élémentaires, incluant l'électron, le proton, le neutron (dans le noyau), le neutrino dans la désintégration β, le photon, quantum de champ électromagnétique.

1931  : Découverte du positron (Anderson). Dirac réalise que le positron est aussi décrit par son équation.

1932  : James Chadwick découvre le neutron .

1933 /34 : Fermi formule sa théorie sur la désintégration β (interaction faible) : ex. .

1935  : Yukawa formule son hypothèse sur les mésons : La force nucléaire est due à l’échange de particules massives, les mésons.

1937  : Découverte du lepton µ. Bien qu'ayant à peu près la masse prévue pour le méson de Yukawa, il n'a pas d'interactions assez fortes avec la matière pour jouer ce rôle.

1938  : Énoncé de la loi de conservation du nombre baryonique.

1946 /1947 : Découverte du méson chargé , le pion (Powell), prédit en 1935. Le est produit par la désintégration β : .

1946 /1950 : Théorie quantique de l’électromagnétisme (QED) (Feynman, Schwinger et Tomonaga).

1948  : Production artificielle du .

1949  : Découverte du .

1950  : Découverte du pion neutre, .

1951  : Découverte d'événements en « V » : désintégration de particules et ayant une vie moyenne « étrangement » longue. Ceci est interprété en termes d'un nouveau nombre quantique, l'« étrangeté », conservé par les interactions fortes et électromagnétiques.

1952  : Découverte du Δ (état excité du nucléon).

1954  : Yang et Mills proposent les théories de jauge non-abéliennes.

1955  : Découverte de l'antiproton (Chamberlain et Segrè).

1956  : Lee et Yang suggèrent que la force faible peut engendrer une violation de la parité.

1956  : Découverte de la violation de la parité dans les atomes de 60 Co par Chien-Shiung Wu et Amber.

1960 /1970 : Découverte de centaines de particules « élémentaires » :

1961  : Murray Gell-Mann propose la « voie octuple » SU(3)pour classer toutes ces particules.

1962  : Découverte des deux neutrinos et .

1964  : Existence des quarks et (postulée par Gell-Mann et Zweig), constituants qui pourraient être à la base du classement par SU(3).

1964  : Un nouveau quark, , est suggéré.

1964  : Découverte de la violation de CP dans les systèmes par Cronin, Fitch, Christenson et Turlay.

1965   : Le nombre quantique de la couleur est proposé : toutes les particules observées sont de couleur neutre. C'est pourquoi on ne peut observer les quarks colorés.

1967  : Glashow, Salam et Weinberg proposent un schéma d’unification des forces électromagnétiques et faibles. Prédiction de l’existence du boson de Higgs et des bosons lourds et , des dizaines de fois plus massifs que les particules élémentaires connues à ce jour.

1968 -1969 : SLAC détecte une structure ponctuelle du nucléon.

1973  : Énoncé de la théorie des interactions fortes entre particules colorées (QCD). Prédiction de l’existence des gluons.

1973  : Liberté asymptotique postulée.

1974  : Découverte du et de particules contenant un quark charmé , à l'Université Stanford et à Brookhaven.

1976  : Découverte d’un troisième lepton chargé, le .

1976  : Découverte du méson charmé et confirmation de l’existence du quark .

1978  : Découverte d’un cinquième quark, le bottom , au Fermilab.

1979  : Mise en évidence d’un gluon à DESY.

1983  : Découverte du et du au CERN.

1990  : L'étude de la désintégration du au LEP (CERN) montre que le nombre de neutrinos « légers » ( GeV) est limité à 3.

1995  : Découverte d’un sixième quark, le top , au Fermilab.

1998  : Preuve de l'existence de neutrinos de masse non-nulle au Super-Kamiokande.

Classement des particules subatomiques[modifier]

Article détaillé : Particule élémentaire.

Les particules élémentaires peuvent être classées en différentes sous-catégories en fonction de leur propriétés.

Leptons, hadrons et quarks[modifier]

Leptons[modifier]

Les leptons (du grec leptos, léger, ainsi nommés parce que leurs masses sont relativement petites) sont caractérisés par les propriétés suivantes:

1. Absence d'interaction forte (ils ne portent pas de couleur).2. Charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).

3. Charge « faible » les regroupant en paires appelées doublets d’interaction faible.

4. Obéissance à la statistique de Fermi-Dirac (ce sont des fermions).

Les trois paires, familles ou générations de leptons connues sont :

1. (l'électron et son neutrino)2. (le muon et son neutrino)

3. (le tau et son neutrino)

Hadrons[modifier]

Les hadrons (du grec hadros, « gros, épais ») sont caractérisés par les propriétés suivantes :

1. Présence d’interaction forte (appelée « résiduelle » pour la distinguer de l'interaction forte de couleur liant les quarks et les gluons entre eux).

2. Charges électriques entières (multiples de la charge de l’électron).

3. Interactions faibles.

4. Constitution à partir de quarks.

Les hadrons ne sont donc pas des particules fondamentales, mais plutôt des états liés de quarks. On en observe plus de 200. Ils peuvent être classés en deux groupes : les baryons, (du grec barus, lourd) auxquels on associe un nombre quantique spécial (le nombre baryonique) essentiellement constitués de trois quarks, et les mésons, (du grec mesos, « moyen ») responsables des interactions fortes « résiduelle » entre hadrons, et auxquels on donne le nombre baryonique 0, car ils sont composés d'un quark et d'un antiquark.

Voici les hadrons les plus fréquemment observés (baryons de spin 1/2, mésons de spin 0 et baryons de spin 3/2) – sur ces figures, l'axe vertical, orienté vers le bas, donne l'étrangeté S , l'axe horizontal I3 la composante d'isospin, et l'axe oblique Q la charge électrique ; les particules sont représentées par les cercles roses, et leur(s) symbole(s) figure à côté ; les

cercles divisés en deux représentent les deux particules indiquées en regard, qui diffèrent par diverses propriétés, notamment leur masse, non représentées sur ces diagrammes. Enfin, le contenu principal en quarks est indiqué à l'intérieur de chaque cercle :

Premier nonet de baryons

Nonet de baryons(spin 1/2)

Octet

Nucléons : S = 0 neutron et proton

Étrangeté 1 3 Sigma

Étrangeté 2 2 Xi

Singulet Étrangeté 1 1 Lambda

Ce « nonet » de 9 baryons assez semblables se divise en un « octet » de 8 et une seule particule formant un « singulet ». Ceci correspond à des propriétés de symétrie entre les quarks composants, se reflétant notamment sur la différence de masse entre les deux éléments centraux Λ0 et Σ0.

Premier nonet de mésons

Nonet de mésons(spin 0)

Octet

Étrangeté -1 2 kaons

Étrangeté 0 3 pions

Étrangeté +1 2 anti-kaons

Singulet Étrangeté 0 1 êta

A nouveau, ce « nonet » de 9 mésons assez semblables se divise en un « octet » de 8 et un « singulet ».

Premier décuplet de baryons

Décuplet de baryons(spin 3/2)

Étrangeté 0 4 Delta

Étrangeté 1 3 Sigma excités

Étrangeté 2 2 Xi excités

Étrangeté 3 1 Omega

Ici, la symétrie entre les membres du décuplet est plus frappante : l'axe de la charge électrique Q correspond bien, à une constante près, au nombre de quarks u, celui de l'étrangeté S au nombre de quarks s, et le troisième axe, non tracé, bissecteur entre les deux précédents, au nombre de quarks d.

Quarks[modifier]

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment les particules observées.

1. Ils interagissent fortement (soumis à l’interaction forte)2. Ils portent des charges électriques fractionnaires.

3. Ils possèdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible.

4. On leur associe aussi une charge de couleur (3 couleurs possibles, ce sont des triplets) par laquelle ils subissent l’interaction forte.

5. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (ce sont des fermions).

On compte six types ou saveurs de quarks : up, down, étrange, charmé, bottom (aussi appelé « quark beauté » pour des raisons historiques) et top. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes, sauf pour ce qui est de leurs masses.

Quarks Antiquarks

Q = 2/3 Q = −1/3 Q = -2/3 Q = 1/3

(up) (down) (anti-up) (anti-down)

(charme) (strange) (anti-charme) (anti-strange)

(top) (bottom) (anti-top) (anti-bottom)

De façon générale, on soupçonne que les familles de quarks et leptons sont reliées; il en existe trois de chaque. En 2007, il semble que seuls des arguments de symétrie viennent appuyer cette assertion.

Gluons[modifier]

Les gluons sont les particules fondamentales qui assurent la cohésion des hadrons et des mésons en liant les quarks entre eux.

1. Ils interagissent fortement (porteurs de l’interaction forte)2. Ils sont électriquement neutres.

3. Ils ne possèdent pas d’interaction faible.

4. On leur associe aussi une charge de couleur (8 couleurs possibles, c'est un octet) et ils subissent donc l'interaction forte.

5. Ils obéissent à la statistique de Bose-Einstein (ce sont des bosons).

On ne compte que huit gluons, qui interagissent avec tous les types ou saveurs de quarks, mais également entre eux, puisqu'ils sont eux-mêmes colorés. Ceci rend les calculs mathématiquement très compliqués, d'où le fait que les progrès sur l'architecture des particules soient très lents, bien que la théorie soit formellement connue.

En raison de l'intensité de l'interaction forte, les quarks et gluons, étant colorés, subissent le confinement de couleur, qui fait que l'on ne peut pas les observer isolément. Seules des combinaisons où toutes les couleurs se compensent (combinaisons blanches) peuvent constituer des hadrons libres.

Existence de trois familles[modifier]

L'ensemble des particules élémentaires semble pouvoir se décomposer en trois familles (ce nombre de trois est un paramètre fondamental du modèle standard, à ne pas confondre avec le nombre de couleurs portées par les quarks, autre paramètre fondamental) :

Bosons et fermions[modifier]

Articles détaillés : Boson et Fermion.

La mécanique quantique introduit la notion de moment cinétique intrinsèque d'une particule, le spin. Il peut prendre des valeurs qui sont des multiples de . Il détermine également le type de statistique auquel est soumise la particule.

Bosons  : Ce sont des particules de spin entier ( ), qui obéissent à la statistique de Bose-Einstein, c'est-à-dire qu'un système de deux bosons identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est symétrique sous l'échange des particules : .

Fermions  : Ce sont des particules de spin demi-entier ( ) qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'un système de deux fermions identiques, désignés par les indices 1 et 2 est décrit par une fonction d'onde qui est antisymétrique sous l'échange des particules : . En particulier, deux fermions ne peuvent pas se trouver dans le même état, sinon cette relation montre que leur fonction d'onde serait nulle, ce qui est absurde (principe d'exclusion de Pauli).

Particules et antiparticules[modifier]

Article détaillé : Antiparticule.

La notion d'antiparticule fut proposée par Paul Dirac en 1928. Certaines solutions de l'équation qui porte son nom apparaissent comme portant une énergie négative. Dirac interpréta ces solutions ainsi : en fait l'espace vide est l'ensemble de toutes ces solutions. Si l'on apporte suffisamment d'énergie à une partie du vide représentée par une de ces solutions, elle devient une solution d'énergie positive, et laisse sa place vacante. Le trou laissé vacant par cette solution d'énergie négative apparaît comme une particule d'énergie positive, et dont toutes les propriétés (charge électrique, par exemple) sont opposées à celles des solutions normales. C'est ce qu'on appelle une antiparticule.

Une antiparticule se caractérise donc par :

une charge et des nombres quantiques opposés à ceux de la particule associée ; une masse et une durée de vie identiques à celles de la particule correspondante.

Par convention, l'antiparticule est désignée par une barre supérieure, ce qui n'est utile que si on ne peut pas la distinguer par sa charge. Par exemple, on pourrait écrire :

Interactions et champs[modifier]

La mécanique classique et la théorie quantique des champs ont des approches différentes lorsqu'il s'agit d'écrire les interactions.

En mécanique classique, lorsqu'il y a un champ produit par une particule 1 à la position de la particule 2, cette dernière interagit avec la valeur de ce champ.

En théorie quantique des champs, l'interaction est interprétée comme un échange de quanta. Il obéit aux lois de conservation des nombres quantiques et de la quadri-impulsion. Celle-ci obéit à l'équation d'onde dans les limites du principe d'incertitude de Heisenberg :

et

Les états transitoires sont appelés « virtuels », par exemple, un photon virtuel peut avoir une quadri-impulsion telle que  : si est limité, alors l'énergie n'est conservée qu'à des écarts

près.

Interaction électromagnétique[modifier]

Article détaillé : Interaction électromagnétique.

L' interaction électromagnétique se caractérise par les propriétés suivantes :

mise en jeu de particules électriquement chargées ; couplage  ;

temps d’interaction et/ou vies moyennes typiques de ≈ 10−20 s ;

sections efficaces typiques de ≈ 10−33 m² ;

échange de photons ( ) ;

, donc portée (conséquence du principe d'incertitude).

Interaction faible[modifier]

Article détaillé : Interaction faible.

Les manifestations typiques de l'interaction faible sont :

La désintégration β du neutron, ex.  ; La capture d’antineutrinos, ex.  ;

Les désintégrations hadroniques peuvent passer par les interactions faible, électromagnétique, ou forte, mais leur caractéristiques diffèrent suivant le mode de désintégration :

Interactions faibles électromagnétiques fortes

Réaction

1 0 0

1/2 1 0

10-10 s 10-19 s 5 . 10-24 s

où est le changement du nombre quantique d’étrangeté, celui de spin isotopique, et est la vie moyenne ou durée des interactions. L'interaction forte doit conserver S et I, l'électromagnétique S, mais pas I, et la faible, aucune des deux. D'où la possibilité pour l'une ou pour l'autre de dominer le processus.

Les interactions faibles sont alors caractérisées par les propriétés suivantes :

mise en jeu de neutrinos, ou de quarks qui changent de saveur, c’est-à-dire des particules ayant une « charge faible » ;

couplage faible (à l'échelle des protons) :  ;

temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ≈ 10−8 s ;

section efficace de ≈ 10−44 m² ;

échange de bosons W± (courants chargés) et Z0 (courant neutre);

mW = 80 GeV, donc portée R = 10−18 m (toujours le principe d'incertitude).

Les interactions électromagnétique et faible (électrofaibles) sont unifiées dans le modèle de Glashow-Weinberg-Salam (1967). Mais à basse énergie, la symétrie est brisée et les deux forces apparaissent bien distinctes. Les interactions faibles mettent en jeu un couplage faible gW et l’échange des bosons de jauge W± et Z0. Les réactions faibles sont caractérisées par une amplitude de probabilité de la forme :

Amplitude ≈ g²W/(q² − M²W,Z)

où q² est le carré de la quadri-impulsion transférée par l’échange du quantum.

Dans la limite q² → 0, la théorie de Glashow-Weinberg-Salam se ramène à la théorie des interactions faibles de Fermi (1935), où les interactions impliquant quatre particules sont ponctuelles et de force GF, la constante de Fermi : .

Le modèle de Glashow-Weinberg-Salam a l’avantage sur la théorie de Fermi d’être renormalisable, c'est-à-dire d'avoir un comportement calculable à haute énergie (aux masses des W et Z et au-dessus).

C’est aussi un exemple d’unification de forces (faible et e. m.).

Interaction électrofaible[modifier]

L'interaction électrofaible est l'interaction qui unifie l'électromagnétisme et l'interaction faible.

Interaction forte[modifier]

Article détaillé : Interaction forte.

L' interaction forte est fréquente dans les collisions de hadrons à haute énergie. Elle implique, au niveau fondamental, les interactions entre quarks et gluons. On les retrouve par exemple dans la collision dont la durée est d’environ τ = 10−23 s. Les interactions fortes sont caractérisées par les propriétés suivantes :

échange de particules portant une charge de couleur (quarks et/ou gluons) ; couplage très fort : αs ≈ 1 ;

temps d’interaction et/ou vie moyenne typique de ≈ 10−23 s ;

section efficace typique de ≈ 10−30 m² ;

confinement des quarks et gluons ;

liberté asymptotique  ;

portée effective de R = 10−15 m en raison du confinement.

Interaction gravitationnelle[modifier]

Article détaillé : Interaction gravitationnelle.

Il n’existe pas actuellement une théorie de la gravité quantique satisfaisante du point de vue de la phénoménologie, bien que la théorie des supercordes soit un bon candidat (la gravitation quantique à boucles cependant ne propose pas d'unifier la gravitation avec les autres interactions du modèle standard). Par contre, une théorie quantique gravitationnelle devrait posséder les caractéristiques suivantes :

impliquer tout ce qui possède une énergie-masse et qui donc modifie la métrique de l'espace-temps (tenseur énergie-impulsion) ;

avoir un couplage très faible au niveau subatomique: le couplage typique entre deux protons est αG = GNm²p /4π = 4.6 × 10−40 ;

le graviton, boson d’interaction de spin 2 correspond à une fluctuation quantique de la métrique ;

masse nulle du graviton, la gravitation ayant une portée infinie.

Tableau récapitulatif[modifier]

particules fermions leptons Chargés électron :

élémentaires

muon :

tauon :

Neutrinos

électronique :

muonique :

tauonique :

quarks

Charge +2/3

up :

charm :

top :

Charge -1/3

down :

strange :

bottom/beauty :

bosons

bosonsde jauge

Interactionfaible

photon :

Boson Z :

Boson W- :

Boson W+ :

Int. forte gluon

bosonshypothétiques

Gravitation graviton

Int. él.-faible boson de Higgs

particulescomposées(hadrons)

baryons(fermions)

« légers »

nucléonsneutron :

proton :

AutresDelta :

…

hypérons

S = 1Lambda :

Sigma :

S = 2 Xi :

S= 3 Omega :

baryonscharmés C=1

S=0 Lambda-C :

Sigma-C :

S = 1 Xi-C :

S = 2 Omega-C :

Baryonsbottom

B=1 Lambda-B :

mésons(bosons)

« Légers »S = 0

pion :

êta :

rho :

phi :

S = 1 kaon :

Charmés« Apparent » Méson D :

« Caché » Méson J/ψ :

Bottom« Apparent » Méson B :

« Caché » Méson upsilon :

et bien d'autres …

Modèle standard[modifier]

L'état actuel de la classification des particules élémentaires s'appelle le « modèle standard ».

Il décrit les forces fondamentales : fortes, faibles, et électromagnétiques en utilisant des bosons médiateurs connus sous le nom de boson de jauge. Les bosons de jauge sont respectivement les gluons, les bosons W ± et Z et le photon.

Le modèle contient également 12 particules fondamentales qui sont les constituants de la matière : les quarks et les leptons, et leurs antiparticules. Il prévoit aussi l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs, mais qui n'a pas encore été observé en 2009.

Principales interactions avec la matière[modifier]

Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :

Particules chargées[modifier]

Particules légères : électrons, positrons[modifier]

Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), dominant au-delà de 10 MeV. Diffusion inélastique avec les atomes (cortège électronique).

Diffusion élastique avec les noyaux.

Rayonnement Tcherenkov .

Réactions nucléaires (faible contribution).

Particules lourdes : muons, protons, alpha, pions[modifier]

Diffusion inélastique avec les atomes (type d'interaction dominant). Diffusion élastique avec les noyaux : peu d’énergie transférée, car les particules sont

plus légères que le noyau.

Rayonnement Tcherenkov .

Réactions nucléaires.

Bremsstrahlung .

Particules non chargées[modifier]

Photons[modifier]

Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :

Effet photoélectrique . Diffusion Compton .

Production de paires .

Réactions nucléaires (faible contribution).

La probabilité de produire une interaction est constante le long de la trajectoire, et par suite le nombre de photons survivants décroît en série géométrique (exponentielle) le long de la distance parcourue.

La fraction des photons qui subsistent après avoir traversé une distance x est e-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm-1. C'est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions pour les divers composants du matériau.

L'absorption peut être paramétrée plus commodément par le coefficient d'atténuation massique µ/ρ exprimé en cm²/g, sensiblement indépendant de la densité ρ du matériau absorbant, et ne dépendant plus que de sa composition.

Neutrons[modifier]

Diffusion élastique  ; Diffusion inélastique  ;

Capture nucléaire  ;

Réactions nucléaires  : (n, 2n), (n, α), (n, xn), (n,p) ;

Fission nucléaire .

Neutrinos[modifier]

interactions électrofaibles (création de leptons). Très faibles à basse énergie, elles croissent vite en fonction de l'énergie.

Production et détection des particules[modifier]

Les études sur les particules ont débuté par l'étude des rayonnements émis par les substances radioactives, et avec des détecteurs de particules portatifs ou de table permettant de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie.

On a eu tout d'abord recours à l'observation des rayons cosmiques, en altitude pour diminuer la dégradation causée par la traversée de l'atmosphère. Ceci a permis d'améliorer substantiellement les détecteurs, car il fallait augmenter leur surface, compte tenu du faible nombre de rayons cosmiques intéressants. On s'est alors tourné vers la construction des accélérateurs de particules, fournissant un faisceau homogène et bien calibré de particules dont on a progressivement su augmenter le niveau d'énergie. Parallèlement, les détecteurs ont progressé, afin d'étudier les interactions des particules ainsi produites.

Actuellement, les expériences de physique des particules sont menées par des équipes en collaborations internationales, qui se chargent de la construction des détecteurs spécifiques au genre d'expérimentation souhaité, et les installent auprès d'accélérateurs construits également par des collaborations internationales puissantes.

Les principaux sites d'accélérateurs internationaux sont :

le CERN (Organisation Européenne de Recherche Nucléaire), situé sur la frontière franco-suisse, près de Genève. Ses équipements principaux sont le Super Proton Synchrotron, un accélérateur circulaire desservant le LHC ainsi que plusieurs expériences, le LEP, un grand collisionneur d'électrons et de positrons aujourd'hui démantelé, ainsi que le LHC, un grand collisionneur de protons, mis en service en septembre 2008 dans l'ancien tunnel du LEP.

le DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron), situé à Hambourg, en Allemagne. Son installation principale est HERA, où l'on provoque des collisions entre des électrons ou des positrons et des protons.

le SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), situé près de Palo Alto, aux États-Unis. Son installation principale est PEP-II (collisions d'électrons et de positrons).

le Fermilab ou FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), situé près de Chicago, aux États-Unis. Son installation principale est le Tevatron (collisions de protons et d'antiprotons).

Le Laboratoire national de Brookhaven, ou BNL, situé à Long Island, aux États-Unis. Son installation principale est le Relativistic Heavy Ion Collider, où l'on étudie des collisions entre des ions lourds tels que des ions d'or et des protons.

De nombreux autres accélérateurs de particules existent.

Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres termes, ils communiquent de l'énergie aux particules…

On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires.

En 2004, il y avait plus de 15 000 accélérateurs dans le monde[1]. Une centaine seulement sont de très grosses installations, nationales ou supranationales (CERN). Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des accélérateurs industriels d'électrons[2]. De très nombreux petits accélérateurs linéaires sont utilisés en médecine (radiothérapie anti-tumorale).

Sommaire

[masquer] 1 Historique 2 Le diagramme de Livingston

3 Applications

4 Discipline

5 Caractéristiques communes

6 Les accélérateurs rectilignes ou linéaires

7 Les accélérateurs circulaires

8 Les machines à rayonnement synchrotron

9 Les anneaux de stockage

10 Les collisionneurs

o 10.1 Circulaires

o 10.2 Linéaires

o 10.3 Collision élastique et collision inélastique

o 10.4 Section efficace et luminosité

11 Constructeurs

o 11.1 Les accélérateurs électrostatiques

o 11.2 Les autres accélérateurs

12 Les apports de la supraconductivité

13 Liste d’accélérateurs

14 Les échecs ou les projets abandonnés

o 14.1 ISABELLE (Intersting Storage Accelerator + Belle)

o 14.2 Le Super Collisionneur Supraconducteur SSC

o 14.3 Le Vivitron de l'IReS

15 Les accélérateurs de demain

o 15.1 Le Comité International pour les futurs accélérateurs

o 15.2 Perspectives

15.2.1 Accélérateurs linéaires de physique fondamentale

15.2.2 Accélérateurs synchrotrons

o 15.3 Alternatives

16 Bibliographie

17 Références

18 Voir aussi

o 18.1 Articles connexes

o 18.2 Liens externes

Historique[modifier]

En 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d'azote en isotopes d'atome d'oxygène en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope radioactif naturel[3]. Mais l'étude de l'atome et surtout de son noyau nécessite de très hautes énergies. Les particules provenant des radio-éléments naturels sont trop peu nombreuses et peu énergétiques pour pénétrer la barrière de potentiel du noyau des éléments les plus lourds. Le potentiel à la surface nucléaire croît d'un million de volts pour l'hydrogène ordinaire à 16 millions pour l'uranium. Les astroparticules (rayons cosmiques) ont permis des découvertes majeures mais leur énergie est très variable et il faut aller les chercher en altitude où elles sont moins rares et plus énergétiques. Dans les années 1920, il apparaît évident qu'une étude plus approfondie de la structure de la matière allait nécessiter des faisceaux plus énergétiques et plus contrôlés de particules. La source des particules chargées était variée. Les décharges dans les gaz produisent des ions, alors que pour les électrons, il était possible d'utiliser l'émission par un fil chauffé ou d'autres systèmes. L'énergie (E) d'une particule dans un champ électrique correspond au produit de sa charge (q) multiplié par la tension (U) du champ : E = q.U. Ainsi, une première solution possible était essentiellement d'accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension. La course au million de volts avait commencé. Plusieurs systèmes furent proposés.

Le générateur Cockcroft-Walton était un multiplicateur de tension fait de condensateurs et de redresseurs. C'était un élément d'un accélérateur. Construit en 1937 par Philips à Eindhoven. Exposé au musée des sciences de Londres

En Angleterre, John Cockcroft et Ernest Walton, qui, en 1932, accomplirent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées, utilisèrent un multiplicateur de tension[4] à l'aide d'un montage compliqué de redresseurs et de condensateurs (montage Greinacher, 1919). Sans aucun doute, l'une des meilleures idées fut développée par Robert Jemison Van de Graaff, qui choisit de développer une machine à partir de l'antique électrostatique. Finalement, les autres (tels que Ernest Orlando Lawrence avec son cyclotron) choisirent une voie complètement différente : renonçant à obtenir d'un coup les 10 ou 20 MeV nécessaires pour pénétrer tous les noyaux Ernest Orlando Lawrence pensa atteindre ces énergies par des impulsions électriques alternatives successives. Des impulsions périodiques supposent le maintien d'un certain synchronisme avec la particule accélérée qui décrit naturellement une ligne droite à une très grande vitesse. En employant un puissant électro-aimant dans l'entrefer duquel les particules sont confinées par le champ magnétique lui-même, E.O. Lawrence a résolu simultanément les deux problèmes.

Les principaux composants nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualité[5] ; les champs électriques et magnétiques sont utilisés pour accélérer et diriger les particules et le vide poussé permet que les particules accélérées ne soient pas ralenties suite à des collisions avec d'autres particules présentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.

La classification des accélérateurs de particules peut suivre l'historique des technologies employées : par exemple, l'accélérateur électrostatique, les machines « tandem », les accélérateurs linéaires à hyperfréquences, les cyclotrons (dont le cyclotron isochrone et le bétatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons à protons, à électrons), les anneaux des collisions (anneaux électron-positron, anneaux de collision à protons). Bien sûr, chaque machine peut être associée aux découvertes historiques qu'elles ont permises.

Les accélérateurs peuvent être classés selon l'énergie :

basses énergies : de 10 à 100 MeV moyenne énergies : de 100 à 1 000 MeV

hautes énergies : plus de 1 GeV et au-delà du TeV (Tera électronvolt=1012 eV).

D'autres classifications sont possibles selon les applications de l'accélérateur : industrie, médecine, recherche fondamentale, exploration et compréhension des composants élémentaires de la matière, de l'énergie et de l'espace et du temps.

Plus simplement, ces très grandes machines des XXe et XXIe siècles peuvent être classées selon la géométrie des trajectoires de l'accélération : linéaire ou circulaire. Le caractère fondamental de nombreux accélérateurs modernes est la présence d'un champ magnétique enroulant les trajectoires sous forme de cercles ou de spirales. On peut les appeler « circulaires ». D'autres accélèrent en ligne droite, on les appelle « rectilignes ou linéaires ».

Le diagramme de Livingston[modifier]

Stanley Livingston, physicien spécialiste des accélérateurs de particules, a établi ce diagramme dans les années 1960. Il montre la croissance exponentielle de l'énergie des faisceaux accélérés.Ce diagramme classique est modifié : l'axe horizontal a été étendu aux années 2010. L'axe vertical a été étendu à 100 000 TeV. Pour comparer les différents accélérateurs, l'énergie des collisionneurs, qui s'exprime dans le centre de masse, a été recalculée comme si l'énergie des particules observées était le résultat d'une collision avec un proton au repos. Le coût par eV d'énergie du faisceau est réduit d'un facteur 1 000 par période de 7 ans.Dans le passé, on gagnait un facteur 10 tous les 7-8 ans dans l'énergie des collisions réalisées. Si l'évolution s'était maintenue, on aurait atteint 60 TeV dès 2005. Le LHC (Large Hadron Collider, 7 TeV + 7 TeV, CERN, 2008) ne suit donc pas l'extrapolation. On constate un net fléchissement des performances qui indique peut-être un premier signe de fatigue de la discipline[6].

Applications[modifier]

L'accélérateur de particules AGLAE utilisé pour l'analyse non destructive de pièces de musée.

Les accélérateurs ont des applications aussi variées que :

la physique nucléaire (production de neutrons), pour la recherche fondamentale sur les particules élémentaires des hautes énergies ;

le domaine médical, pour le traitement des cancers par radiothérapie ;

le domaine militaire, en particulier pour la simulation des armes nucléaires.

En physique fondamentale, ils servent à accélérer des faisceaux de particules chargées (électrons, positons, protons, antiprotons, ions…) pour les faire entrer en collision et étudier les particules élémentaires générées au cours de cette collision. L'énergie des particules ainsi accélérées se mesure en électron-volts (eV) mais les unités sont souvent le million (1 MeV=106 eV), le milliard d'électronvolts (1 GeV=109 eV). La physique des hautes énergies (ou subnucléaire ou des particules élémentaires) se définit justement à partir du GeV et au-delà.

Applications générales des accélérateurs de particulesDomaine Méthodes Buts recherchés

Recherche en physique

Faisceaux énergétiques de particulesExploration de la matière (voir tableau suivant)

Médecine Production de radioisotopes Imagerie, scintigraphies, traceurs

MédecineIrradiations : rayons X, gamma, protons, électrons, ions lourds

Radiothérapie anti tumorale

Electronique Faisceaux d'électrons Gravure des circuits intégrésSécurité alimentaire

Irradiation des aliments Stérilisation

Archéologie Spectrométrie de masse par accélérateur DatationApplication des accélérateurs pour la recherche

Recherche Méthodes Accélérateurs

Physique des particules CollisionsSynchrotrons, collisionneurs à protons ou électrons

Physique nucléaire Collisions noyau-noyau

Accélérateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac

Physique atomique Collisions atomiques

Accélérateurs d'ions lourds : synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac

Matière condensée et physique des surfaces (structure de la matière, propriétés magnétiques, chimiques et électroniques des matériaux)

Diffraction, imagerie, spectroscopies d'absorption, dichroïsme circulaire magnétique, spectroscopies de photoémission,

Rayonnement synchrotron (IR, UV, X mous, X durs)

Matière condensée (structure et propriétés magnétiques)

Diffusion de neutrons Linac à proton

Biologie, chimieCristallographie des protéines, des virus, activation, cinétique chimique et biochimique

Rayonnement synchrotron, laser à électrons libres

Physique des matériauxAnalyse par activation, spectrométrie de masse

Van de Graaff Tandem

Discipline[modifier]

L'étude et la conception des accélérateurs de particules est une discipline extêmement riche car au confluent de nombreuses physiques et technologies de pointes :

Source de particules Physique atomique, ionique, des plasmas, interaction particules-matière.

Chambre de l'accélérateur Techniques du vide et de l'ultra-vide.

Structures accélératrices et de transport Techniques du vide, Mécanique, thermique, électromagnétisme, supraconductivité, électronique HF.

Contrôle-commande informatique, automatisme, électronique BF.

Diagnostic Interaction particules-matière, traitement du signal.

Hautes tensions Electrotechnique.

Radioprotection Physique nucléaire.

Dynamique des faisceaux relativité, cinématique, dynamique hamiltonienne, transport, statistiques, simulation numérique.

En plus de la physique qui lui est propre, l'étonnante variété des applications des accélérateurs permet à ses physiciens de côtoyer de nombreuses communautés de chercheurs (cf. paragraphe précédent)

La discipline, de par les projets gigantesques qu'elle engendre, possède une dimension internationale. Elle est représentée et animée en France par une division à la Société Française de Physique et en Europe par un groupe à l’European Physical Society. Ces entités, en collaboration avec les autres sociétés savantes étrangères (USA, Russie, Japon, Chine,...), organisent de nombreuses conférences et workshops (conférences).

En France, la physique et technologie des accélérateurs est enseignée, à partir du niveau master 2, par quelques universités ou organismes européens. Citons, par exemple, un master de l'université Paris-sud 11, la Joint Universities Accelerator School, ou les différentes sessions de l'école des accélérateurs du CERN.

Caractéristiques communes[modifier]

Tous les accélérateurs de particules sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions, de la source à la cible et dans un vide poussé :

Production et émission des particules chargées (par exemple grâce à une cathode) : ions (proton) ou électrons en général, antiparticules comme l'antiproton et le positron.

l'injection dans le tube cylindrique vide d'air où les particules seront accélérées.

l'accélération proprement dite (éventuellement par plusieurs sections successives), utilisant des procédés techniques divers : champs électriques continus ou alternatifs à haute fréquence.

le guidage du faisceau le long de l'accélérateur à l'aide de déflecteurs électrostatiques ou magnétiques.

la focalisation du faisceau pour empêcher sa divergence (lentilles électrostatiques ou magnétiques).

enfin la préparation du faisceau de particules à son utilisation :

o déflecteurs qui déplacent le faisceau dans la direction voulue.

o système de collimation (également pour les applications médicales).

o détecteurs des particules.

o cible (épaisse ou mince), métallique destinée à produire des rayons X de haute énergie (notamment pour les applications médicales). La cible peut être un autre faisceau.

o raccordement à un autre accélérateur (recherche en physique des particules).

Les accélérateurs rectilignes ou linéaires[modifier]

On trouve plusieurs techniques d'accélération, par exemple :

les accélérateurs électrostatiques : Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique statique :

o Les multiplicateurs de tension (combinaison en cascade de condensateurs et de redresseurs) de type Greinacher ou Cockcroft et Walton permettent d'obtenir des hautes tensions qui ont les caractéristiques des machines proprement électrostatiques (Singletron® , Tandetron® de HVEE). L'énergie acquise par les particules est égale, en électron-volts, au produit de leur nombre de charge par la différence de potentiel entre leur lieu de production (source) et leur lieu d'extraction.

o Le microscope électronique est le plus connu des accélérateurs électrostatiques. L'accélération sous quelques centaines de keV fournit des longueurs d'ondes adaptées aux dimensions des cellules, des virus, des microcristaux et des plus grosses molécules.

o Le générateur électrostatique le plus typique est le générateur de Van de Graaff : la différence de potentiel est de quelques MeV (20 MeV pour les accélérateurs-tandem de type Vivitron® ou Laddertron® ou Pelletron®).Pour accroître l'énergie à tension constante, on ne peut qu'augmenter la charge électrique. Mais les sources d'ions multichargés sont, en général, complexes, et il est peu commode de les loger dans une électrode haute tension. L'accélérateur électrostatique tandem (1958) apporte une solution à ce problème. Les ions négatifs (charge : -e) produits par la source sont accélérés jusqu'au milieu du tube (potentiel +V). Ils traversent un éplucheur d'électrons (stripper), en passant à travers une faible quantité de matière (petite section de gaz ou feuille de métal ou de carbone très mince). Les ions positifs ainsi formés sont accélérés par la tension V. L'énergie finale vaut alors (n+1)eV si n est le nombre de charge de l'ion positif final. La source d'ions et la cible sont

toutes deux à la masse (ou sol). Pour des protons (en démarrant avec une source d'ions H-), l'énergie finale est le double de celle permise par une machine classique (avec une source de protons). Les ions les plus lourds peuvent atteindre des énergies finales de plusieurs centaines de MeV [7] . Le principal inconvénient porte sur la plus forte difficulté à produire des ions négatifs (avec un excès d'électrons) que des ions positifs (avec un défaut d'électrons). Dans ce type de machines, la haute tension est produite comme suit :

des charges sont déposées sur une courroie isolante à l'extrémité du tube accélérateur,

la courroie est entrainée par un moteur (source d'énergie),

les charges sont ensuite récupérées à l'autre extrémité de l'accélérateur,

elles reviennent (courant) vers leur source à travers un pont de résistance qui produit la tension.

les accélérateurs linéaires à radiofréquences de type Wideroë (1928) ou Alvarez (1947). Couramment appelés LINAC (éléments disposés en ligne droite): la trajectoire des particules est toujours rectiligne, mais le champ électrique est de haute fréquence. Les sources alternatives Haute Fréquence utilisées sont presque toujours des klystrons (tubes amplificateurs hyperfréquences) dont la puissance de crête peut atteindre 60 MW. Les particules sont accélérées par impulsions successives convenablement synchronisées sans avoir à isoler des différences de potentiel équivalentes à l'énergie finale. Le faisceau en passant dans une suite de cavités où règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteindre une énergie de quelques centaines de MeV. On distingue encore deux types selon qu'il s'agit accélérateurs d'ions (basses énergies) ou d'électrons (haute énergie). Les accélérateurs linéaires sont plus anciens que les accélérateurs circulaires ; ils sont apparus dès 1931 avec l'accélérateur linéaire de Wideroë, repris par Sloan et Lawrence aux États-Unis. En France, au début des années 1960, on a construit à Orsay en Essonne un accélérateur linéaire et son Anneau de Collision (ACO) dont l'énergie était de l'ordre du GeV. Les accélérateur linéaires ne permettaient pas, initialement, de produire des faisceaux d'aussi grande énergie que les accélérateurs circulaires. En revanche ils ont de nombreux avantages. En effet, la géométrie est « ouverte », c'est-à-dire que l'on peut envoyer ou extraire le faisceau facilement et un faisceau de flux élevé pourra être transporté avec les technologies actuelles. Ils sont souvent utilisés comme injecteurs de faisceaux dans les grandes structures (collisionneurs circulaires), et maintenant développés comme éléments de grands collisionneurs linéaires. Actuellement, le plus grand accélérateur linéaire au monde est celui de Stanford aux États-Unis : voir le Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford. Longueur 3 050 mètres, nombre de Klystrons 244. Puissance de crête par klystron : 30 MW. Énergies maxima 24 GeV (33,4 GeV avec cavités Haute Fréquence de stockage). Courant de crête : 80 MA. La puissance énorme transportée par le faisceau (1 MW continu) pose des problèmes technologiques.

Les accélérateurs circulaires[modifier]

Ce sont les accélérateurs circulaires qui détiennent le record d'énergie. Il est facile de comprendre pourquoi. L'énergie reçue par mètre de trajectoire, c'est-à-dire l'intensité du

champ électrique accélérateur, est limitée par des facteurs physiques et techniques. En « enroulant » la trajectoire, on obtient l'équivalent d'un accélérateur rectiligne ayant, non pas des kilomètres, mais des milliers de kilomètres de longueur.

Parmi les « circulaires » on distingue d'abord ceux qui emploient un champ magnétique fixe, (et un aimant massif) et où, par suite, les trajectoires sont des spirales : ce sont le cyclotron (E. Lawrence, 1929) et le synchrocyclotron (conçu à Berkeley en 1946). Au contraire, dans les synchrotrons (E. Mc Millan et V. Veksler), le champ magnétique varie pendant l'accélération, de telle sorte que celle-ci a lieu sur un cercle invariable et que l'électroaimant (annulaire) est, à énergie égale, considérablement réduit. Les synchrotrons sont donc, pour des raisons économiques, les accélérateurs permettant d'avoir des orbites de très grand rayon.

On distingue ainsi deux types d'accélérateurs circulaires :

les cyclotrons :

Article détaillé : Cyclotron.

Les trajectoires des particules sont des spirales, sont constitués d'un seul aimant de courbure dont le diamètre peut atteindre plusieurs mètres. Historiquement, le cyclotron a permis la découverte de plusieurs particules fondamentales. Ils peuvent accélérer des particules chargées, des ions lourds mais pas les électrons. En France, le GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.

L'électroaimant du synchrocyclotron au centre de protonthérapie d'Orsay les synchrotrons :

Article détaillé : Synchrotron.

Contrairement au cyclotron, le champ magnétique n'est pas appliqué sur toute la surface circulaire, mais uniquement sur la circonférence. Dans ce type d'accélérateur, les particules circulent sur la même trajectoire presque circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure. L'accélération est réalisée par un champ électrique résonnant. Le courant alternatif est appliqué seulement sur l'intervalle et non sur tout le parcours des particules. Plus l'énergie augmente, plus la fréquence du signal alternatif appliqué sur l'intervalle doit augmenter, pour maintenir l'accélération constante. Afin de maintenir les particules sur la même trajectoire, le champ magnétique augmente au fur et à mesure que l'énergie des particules augmente. Ces machines ont permis de découvrir de nombreuses particules élémentaires. Un des premiers synchrotrons, le Bévatron (Berkeley, 1954) servit à démontrer l'existence de l'antiproton. Les synchrotrons ont permis d'obtenir des preuves expérimentales d'éléments fondamentaux

comme les quarks. Ils sont utilisés dans les collisionneurs actuels. Il y a ceux qui accélèrent les électrons (comme le LEP) et ceux qui accélèrent les protons (comme le SPS). Aujourd'hui un synchrotron (même de troisième génération) est un très grand instrument banalisé, partagé, accessible, formateur et pluridisciplinaire. La lumière synchrotron (rayonnement synchrotron) fait l'objet de demande de temps d'accès en forte croissance dans tous les pays du monde, en particulier en France.

Les machines à rayonnement synchrotron[modifier]

Article détaillé : rayonnement synchrotron.

Lorsqu'un synchrotron fait tourner des faisceaux d'électrons, l'énergie possible est limitée par le rayonnement inhérent au mouvement circulaire des électrons, qui croît très vite et dissipe l'énergie reçue par les particules[8]. Cette radiation électromagnétique est connue sous le nom de « Bremsstrahlung » dans le cas d'un tube à rayons X. Dans les accélérateurs d'électrons, des cavités résonantes accélératrices fournissent l'énergie perdue par le rayonnement synchrotron (ou synchrotronique).

De rayonnement photonique parasitaire (J. Blewett, 1947), la lumière synchrotron est devenue désirable. Des dispositifs scientifiques (onduleurs, anneaux de stockage d'électrons) ont été construits pour paramétrer et utiliser ce rayonnement, dont l'intensité, le spectre (lumière visible, ultraviolet du vide, rayons X, rayons gamma) permettent une exploitation en physique, en chimie, en microlithographie des circuits intégrés, dans l'étude de la matière vivante.

Les synchrotrons produisent des ondes magnétiques de toutes longueurs d'onde, utilisées par un nombre important de méthodes d'analyse de la lumière. Ces machines sont constituées d'une part d'un injecteur et d'un anneau de stockage d'une circonférence de cent à plusieurs centaines de mètres, dans lequel les électrons tournent 350 000 fois par seconde à une vitesse proche de celle de la lumière, et, d'autre part, de lignes de lumière et de postes expérimentaux périphériques qui utilisent la lumière émise par les électrons lors de passage dans des aimants de courbure ou des chicanes magnétiques (wigglers et onduleurs) placées sur leur trajectoire, lumière dénommée rayonnement synchrotron. Le rayonnement des synchrotrons de troisième génération est mille milliard de fois plus brillant que les rayons émis par des équipements de laboratoire comme les tubes à rayons X.

Les trois plus grands synchrotrons générateurs de lumière synchrotron sont le SPring-8 (8 GeV) à Hyogo, Japon, l'APS (Advanced Photon Source, 7 GeV), à Argonne, USA, et l'ESRF European synchrotron radiation facility, 6 GeV, à Grenoble, France.

Le Synchrotron SOLEIL (Source optimisée de Lumière d'énergie intermédiaire du Lure) est le second site d'un synchrotron de troisième génération en France, sur le plateau de Saclay, Essonne. Le Synchrotron SOLEIL est composée de deux accélérateurs (un accélérateur linéaire et un accélérateur circulaire booster) et d'un anneau de stockage, polygone de 354 m de périmètre.

Les anneaux de stockage[modifier]

Ils servent à mettre en attente et à renforcer les faisceaux de particules qui seront injectées dans l'accélérateur collisionneur. Les anneaux de stockage peuvent faire office de collisionneurs lorsque les faisceaux stockés sur des orbites séparées sont mis en interaction ( par court-circuit de la haute tension électrostatique de séparation ).

Anneau de stockage de particules ACO d'Orsay Le choc de front (dans le centre de masse) de deux faisceaux de particules libère toute

l'énergie cinétique acquise lors de l'accélération. Le gain d'énergie utile est considérable. Cela ne va pas sans difficultés, car la densité des particules dans le faisceau d'un accélérateur est beaucoup plus faible que la densité des noyaux dans une cible fixe. Pour obtenir un taux d'interaction décelable, il faut donc disposer de courants accélérés très intenses, ce qui a conduit au développement des techniques de stockage et d'accumulation des faisceaux. Il s'agit d'un synchrotron dont on garde le champ magnétique constant. Deux faisceaux d'électrons et de positrons peuvent y circuler simultanément. L'anneau de stockage peut fonctionner en anneau de collision.

L'Anneau de Collision d'Orsay (ACO) a fonctionné du début des années 1960 jusqu'en 1988. Pour provoquer des collisions entre des bouffées d'électrons et des bouffées de positrons, les particules étaient injectées à la cadence d'une dizaine de bouffées par seconde. Il faut des milliers de bouffées pour former un faisceau stocké. Au total, l'injection des deux types de particules durait environ une demi-heure.

Les anneaux de stockage à intersection (Intersecting Storage Rings ; ISR) permettent de stocker dans deux anneaux séparés un seul type de particule. Les faisceaux de protons se croisent en 6 ou 8 points. Les ISR (CERN, 1971-1984) étaient un exploit technique mais les résultats de leur physique n'ont pas été à la hauteur. Ils ont permis d'observer la production de particules à grande impulsion transverse.

Les collisionneurs[modifier]

Les machines de pointe actuelles sont des collisionneurs[9].

Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique les accélérateurs doivent accélérer les particules au-delà de 1 GeV. Les lois de la mécanique quantique permettent de décrire les particules à la fois par leur trajectoire physique et par leur fonction d'onde. Si la longueur d'onde de la particule sonde est courte, la matière peut être examinée à une échelle extrêmement petite. La mécanique quantique met en relation cette longueur d'onde avec l'énergie des particules entrant en collision : plus l'énergie est haute, plus courte est la longueur d'onde. Il y a une autre raison à l'utilisation des hautes énergies. La plupart des objets qui intéressent les physiciens des particules élémentaires aujourd'hui n'existent pas à l'état libre dans la nature ; ils doivent être créés artificiellement en laboratoire. La célèbre équation E=mc2 gouverne l'énergie de collision E requise pour produire une particule de

masse m. Plusieurs des particules les plus intéressantes sont si lourdes que des énergies de collision de centaines de GeV sont nécessaires pour les créer. En fait pour comprendre et consolider les théories actuelles il faut aller au-delà du TeV (en construisant des accélérateurs permettant la physique Terascale).

Il y a quatre catégories de collisionneurs :

électrons contre positrons. Exemples : le SLAC ; le LEP. hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons).

Exemples : le SPS ; le Tevatron ; le LHC.

électrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l’HERA.

ions contre ions. Exemples : le RHIC ; le LHC pourra également faire entrer en collision des ions lourds au sein de l’expérience ALICE.

Par ailleurs, sont également envisagées des collisions électrons contre ions[10].

Circulaires[modifier]

Ces accélérateurs collisionneurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens où les particules circulent également le long d'une trajectoire circulaire de rayon invariant. La différence est que les collisionneurs produisent des collisions directement entre deux faisceaux de particules accélérés en sens inverse et non plus sur une cible fixe. L'invention des collisionneurs permet de surmonter la baisse de rendement (liée aux lois de la mécanique relativiste) des accélérateurs quand l'énergie croît. Le choc entre un proton accéléré, par exemple, avec un proton au repos génère, dans le système du centre de masse, une énergie beaucoup plus faible que l'énergie du projectile. La proportion d'énergie vraiment utilisable décroit avec l'énergie des projectiles. Si on fait entrer en collision deux particules de directions opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Un tel choc permet d'utiliser toute l'énergie produite, et non pas une fraction comme dans les expériences à cible fixe des accélérateurs classiques[11]. Au CERN, à Genève, le Super Proton Synchrotron (SPS) atteint des énergies de 450 GeV. Il a servi d'injecteur au Large Electron Positron (LEP) et servira Large Hadron Collider (LHC, XXIe siècle) qui utilisera largement la supraconductivité.

Le système des préaccélérateurs, le collisionneur et les expériences au LHC en 2008.Les préaccélérateurs sont le PS (Proton Synchrotron) et le SPS (Super Protron Synchrotron). Le Proton Synchrotron Booster n'est pas représenté. Les accélérateurs linéaires permettent de choisir entre les protons et les ions lourds de plomb. Les 4 expériences principales sont représentées en jaune sur le collisionneur.

Linéaires[modifier]

Les collisionneurs linéaires électrons-électrons.Le collisionneur linéaire électrons - positons de Stanford :L'ILC (International Linear Collider)[12] est en voie d'étude (XXIe siècle). Le lieu de construction ainsi que les technologies employées n'ont pas encore été déterminés (le Technical Design Report n'est attendu que pour 2010) . Avec le Large Hadron Collider du CERN, il permettra, entre 2015 et 2025, d'explorer la matière au-delà de nos connaissances actuelles (et des possibilités des accélérateurs actuels). La nature des collisions à l'ILC devrait permettre de compléter les questions soulevées par des découvertes du LHC (matière sombre, existence des supersymétries). Deux LINAC de 20 kilomètres de long se feront face. Les faisceaux d'électrons et de positrons atteindront chacun 99,9999999998 % de la vitesse de la lumière. Chaque faisceau contiendra 10 milliards d'électrons ou de positrons comprimés dans une section de trois nanomètres. Au rendez-vous des collisions, les cavités accélératrices à supraconductivité opèreront à une température proche du zéro absolu. Les faisceaux entreront en collision 2 000 fois par seconde.

Collision élastique et collision inélastique[modifier]

Le système du laboratoire est celui où le dispositif expérimental est au repos.Le système du centre de masse est celui où les deux particules initiales ont des impulsions égales et opposées.Après une collision élastique, les deux particules incidentes sont conservées, seules leurs impulsions sont modifiées. Dans le centre de masse seules les directions des particules ont changé.Après une collision inélastique, d'autres particules sont créées, à la place ou en plus des particules incidentes. Une partie de l'énergie a été transformée en masse. La somme vectorielle des impulsions est conservée.

Section efficace et luminosité[modifier]

La probabilité d'une interaction lors de la collision entre deux particules s'appelle sa section efficace (dimension d'une surface L2). Son unité est le barn (b). 1 b = 10-24 cm2. Les processus rares ou très rares s'expriment en sous multiples du barn : µb (microbarn), nb (nanobarn), pb (picobarn), fb (femtobarn).La qualité d'un collisionneur à produire des collisions s'appelle sa luminosité. Elle se mesure en cm-2.s-1. La haute luminosité d'un collisionneur est aussi importante que la haute énergie dans la recherche d'événements rares. Par exemple le Large Hadron Collider aura une luminosité de 1034 cm-2⋅s-1 en régime nominal.

Constructeurs[modifier]

Les accélérateurs électrostatiques[modifier]

La production commerciale des accélérateurs à courant continu a débuté à la fin des années 1930 avec les séries de machines Cockcroft-Walton construites par Philips à Eindhoven. En France à la fin de la seconde Guerre mondiale, Noël Felici à Grenoble commença à construire des générateurs électrostatiques à cylindre fonctionnant dans l'hydrogène. La SAMES construisit et commercialisa des générateurs Felici de 1 MV et 100 µA jusqu'à ce qu'ils soient détrônés par les générateurs à courants redressés. En Suisse, Haefely développa des générateurs multiplicateurs de tension, pressurisés en air pour alimenter des injecteurs de cyclotron. J. Van de Graaff et ses collègues créèrent en 1946 l’HVEC (High Voltage Engineering Corporation). Des accélérateurs électrostatiques d'électrons et d’ions, avec des énergies de 0,4 à 5,5 MeV entrèrent en production. La demande fut telle qu'une filiale européenne commença une production aux Pays-Bas sous le nom de HVEE (High Voltage Engineering Europa). La production d'accélérateurs électrostatiques Tandem commença en 1958. En URSS la production d'accélérateurs à courroie commença en 1955 à Léningrad (Institut de recherche en électrophysique Efremov). Des accélérateurs électrostatiques simples à 5 MV et un Tandem vertical de 6 MV furent conçus en URSS et exportés en Finlande, Chine et ailleurs. En 1958, Radiation Dynamics Inc. construisit des générateurs multiplicateurs de tension de type Dynamitron imaginés par Cleland, pour alimenter des accélérateurs d'électrons et d'ions. Ray Herb remplaça la courroie des Van de Graaff par un système de charge par chaîne alternant élément en nylon et éléments en acier : le système Pelletron. En 1964, il fonda NEC (National Electrostatics Corporation) qui construisit des accélérateurs verticaux et horizontaux pour la recherche et la physique nucléaire. On lui doit le Pelletron de 25 MV de Oak Ridge (record mondial dans cette classe d'accélérateurs électrostatiques). En 1978 Purser, chez General Ionex Corporation, commença à fabriquer de petits accélérateurs tandem pour la recherche en utilisant le système inventé par Cleland. Sous le nom de Tandetron et Singletron, ces machines fondées sur des générateurs à courant continu sont maintenant fabriquées par HVEE. En 1984, Letournel à Strasbourg créa VIVIRAD (à l'origine de la fabrication du VIVITRON).

Les autres accélérateurs[modifier]

L'histoire des constructeurs des cyclotrons et des synchrotrons reste à écrire. Les grands équipements ont fait l'objet d'une coopération où l'on trouve les noms de General Electric, Siemens, la Compagnie générale de radiologie, Alsthom, Mitsubishi, Kraftanlagen, Argos.

Dans les applications médicales (radiothérapie) les petits accélérateurs linéaires sont construits par Varian Clinac (Varian - Linear accelerators), Siemens, Elekta, OSI (Oncology Services International),IBA (Ion Beam Application) à Louvain-la-Neuve, Belgique.

Les 20 km d'électro-aimants du LHC sont bobinés avec 7 000 km de câble supraconducteur. Ce câble est produit, depuis l'an 2000, dans quatre usines en Europe, une au Japon et une aux États-Unis. Au total, quatre entreprises sont impliquées dans cette production : Alstom, European Advanced Superconductors, Outokumpu et Furukawa.

Les apports de la supraconductivité[modifier]

Câbles d'alimentation des expériences du CERN : en haut, les câbles du LEP ; en blanc, les câbles du LHC, supraconducteurs (même puissance).

Un des progrès technique les plus importants des années 1970-1990 a été la maitrise des supraconducteurs destinés aux aimants et aux cavités accélératrices. Certains métaux refroidis à une température proche du zéro absolu (-273 °C) perdent alors toute résistivité électrique, ce qui permet d'y faire circuler sans perte des courants élevés. Fabriquer des électro-aimants supraconducteurs a été une suite de difficultés liées au quenching (le champ magnétique peut altérer la supraconductivité et donc le métal supraconducteur). Les électro-aimants doivent atteindre 4 à 5 Teslas (40 000 à 50 000 Gauss) pour être utilisés dans les accélérateurs. Le but a été atteint avec le Tevatron grâce à un anneau d'aimants supraconducteurs. La supraconductivité peut réduire la consommation électrique des cavités à radiofréquences, surtout dans les collisionneurs électrons-positrons, où l'énergie se dissipe en chaleur presqu'autant qu'elle est communiquée aux particules .

La supraconductivité est aussi utilisée pour la fabrication des cavités accélératrices radiofréquence qui permettent de stocker et d’amplifier le champ électrique destiné à accélérer le faisceau de particules chargées. Pour pouvoir obtenir des champs accélérateurs de l’ordre de 45 MV/m (presque 100 MV/m près de la surface) il faut injecter une onde radiofréquence dans la cavité. Des courants de l’ordre de 1010 à 1012 A/m2 circulent sur la surface interne la cavité et provoquent un échauffement des parois. On ne pourrait pas obtenir de champs aussi élevés en continu avec un conducteur normal : les parois se mettraient à fondre ! En radiofréquence, la résistance d’un supraconducteur n’est pas rigoureusement nulle, mais elle reste environ 100 000 fois plus faible que celle du cuivre, d’où l’intérêt principal de cette technologie pour les cavités accélératrices. Mais ce n’est pas le seul avantage : l’utilisation de cavités supraconductrices influence aussi le design de l’accélérateur et la qualité des faisceaux obtenus ; par exemple leurs formes plus ouvertes facilitent l’alignement du faisceau ; quand celui-ci doit se faire sur plusieurs dizaines de km, cela devient un argument conséquent.

Liste d’accélérateurs[modifier]

Article détaillé : Liste des accélérateurs en physique des particules.

Voir la liste mise à jour régulièrement par ELSA, institut de physique, université de Bonn (Allemagne).

Les sites géographiques

Le Tevatron au Fermilab à Chicago

L'accélérateur de particules du Weizmann Institute of Science, Israël.

Élément de l'accélérateur DESY

États-Unis : Brookhaven, Cornell, Stanford, Fermilab

Tevatron au Fermilab à Chicago (É.-U.) 1984 : Synchrotron à protons de 1 TeV à aimants supraconducteurs - 1986 : Collisionneur protons-antiprotons. A permis la mise en évidence du quark top en 1995 (174 GeV)

RIA à la Michigan State University (É.-U.)

SLAC à Stanford. L'accélérateur de particules de 3,2 km de long situé sur le site est le plus long accélérateur linéaire au monde. (É.-U.)

ILC à Stanford

RHIC à Upton, New York (É.-U.) Site officiel

Europe

UNILAC au GSI à Darmstadt (Allemagne) DESY à Hambourg (Allemagne)

Hadron Electron Ring Accelerator ou HERA à Hambourg (Allemagne)

PETRA à Hambourg (Allemagne)

LAL Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire, Orsay, France

VIVITRON à Strasbourg (France) Arrêt d'activité en 2003.

ESRF à Grenoble (France) : Site officiel

GANIL à Caen (France) : Site officiel

Synchrotron Soleil à Saint-Aubin (Essonne) (France)

Large Electron Positron ou LEP au CERN à Genève (Suisse)

Large Hadron Collider ou LHC au CERN à Genève (Suisse)

AGOR cyclotron KVI à Groningen Pays-Bas

Nuclear Research Institute Rez plc République tchèque Cyclotron isochrone à protons[13]

Russie et Biélorussie

UNK à Serpoukhov VEPP à Novosibirsk

Joint Institute for Power and Nuclear Research, Minsk Biélorussie Générateur électrostatique 250 KeV à 10 mA[13]

(PNPI) Petersburg Nuclear Physics Institute Fédération de Russie Synchrocyclotron à protons 1 000 MeV à 0,003 mA[13]

(ITEP) Institute for Theoretical and Experimental Physics Fédération de Russie Synchrotron à protons de 2 600 MeV[13]

Chine : Pékin

BEPC Beijing Electron Positron Collider . Linac et anneau de stockage de 240 mètres de diamètre.

Japon

KEK High Energy Physics and Accelerator ("Koh-Ene-Ken") à Tsukuba (Japon) Linac -

TRISTAN à Tokyo

Corée

KAERI Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) République de Corée Accélérateur linéaire à proton 1 000 MeV, 20 mA.

Les échecs ou les projets abandonnés[modifier]

ISABELLE (Intersting Storage Accelerator + Belle)[modifier]

Anneau de stockage et collisionneur proton-proton qui devait être opérationnel au Laboratoire national de Brookhaven (BNL). Les travaux ont commencé en 1978 mais en 1981 les aimants supraconducteurs ne se sont pas montrés aussi puissants qu'il aurait fallu. C'est le retard de la mise au point de ces aimants à supraconducteurs qui ont amené la faillite du projet[14]. La découverte en 1983 des bosons W et Z° au CERN a diminué ensuite l'attrait du projet ISABELLE (en). Le projet est abandonné en juillet 1983 par le département de l'Énergie.

Le Super Collisionneur Supraconducteur SSC[modifier]

D'une circonférence de 87 kilomètres sur une aire de Waxahachie au Texas ce collisionneur de hadrons, surnommé Desertron, devait transporter des faisceaux de 20 TeV pour contribuer à la mise en évidence du Boson de Higgs. La construction a commencé en 1991 et 23,5 kilomètres de tunnel étaient creusés fin 1993. Le Congrès américain décida d'abandonner le projet en 1993 en raison du coût prohibitif de la réalisation et peut-être de l'effondrement de l'Union soviétique. Le site est actuellement inoccupé.

Cet abandon laisse son concurrent européen, le Large Hadron Collider, seul en course pour relever le défi de la confirmation expérimentale de l'existence du boson de Higgs.

Le Vivitron de l'IReS[modifier]

Le Vivitron a été concu par Michel Letournel dans les années 1980, après différents développements originaux menés à son initiative sur un accélérateur Van de Graaff Tandem de type MP au sein du Centre de Recherches Nucléaires de Strasbourg. Il a été présenté pour la première fois au laboratoire national d'Oak Ridge (USA) lors d'une conférence internationale en 1981.

Le Centre de recherches nucléaires de Strasbourg avait une expérience solide en matière d'accélérateurs électrostatiques de diverses énergies. Le dernier acquis, au début des années

1970, était un Van de Graaff Tandem dont la tension maximale avait été portée à 16 millions de volts. L'idée de base, une meilleure distribution du champ électrique grâce à des électrodes disposées judicieusement, fut incorporée dans le projet d'un accélérateur électrostatique, le Vivitron, d'une tension maximale de 35 millions de volts, en principe.

Les prouesses techniques étaient prometteuses, les dimensions impressionnantes : longueur de « tank » de 50 mètres, diamètre au centre du tank 8,50 mètres, 60 tonnes de SF6. Donc la courroie de charge avait une longueur de 100 mètres et allait d'un bout à l'autre du tank. Ce Van de Graaff tandem différait des plus grandes machines de ce type par sa structure mécanique interne, réalisée à partir de longerons horizontaux de grande longueur en composite époxy-fibre de verre et de plots radiaux en époxy chargée d'alumine. La distribution uniforme du champ électrique était obtenue par un système de 7 portiques équipés chacun de 7 électrodes discrètes. Les études ont commencé en 1983, le montage entre 1990 et 1993. En 1996, le fonctionnement était fiable à 18 MV. Le cahier des charges n'a pas été rempli, la tension maximale atteinte a été de 25 millions de volts (comme dans les projets similaires aux États-Unis et en Grande-Bretagne). L'exploitation du Vivitron a pris fin en 2003.

Les accélérateurs de demain[modifier]

Le Comité International pour les futurs accélérateurs[modifier]

Le problème financier devient d'autant plus sensible que la taille des accélérateurs tend à croître démesurément[15]. À la suite des réflexions de l'ICFA[16], plusieurs équipes ont entrepris de rechercher de nouvelles techniques d'accélération des particules. La science des accélérateurs qui était jusqu'à présent l'apanage des laboratoires constructeurs, est maintenant l'objet de collaborations entre les spécialistes des plasmas, ceux des lasers et d'autres branches de la physique.

Perspectives[modifier]

Accélérateurs linéaires de physique fondamentale[modifier]

La notion Terascale qualifie une physique qui décrit les collisions des particules à hautes énergies à partir du TeV (1012 eV). Le LHC et le Tevatron sont des accélérateurs Terascale.

L'après LHC (collisionneur circulaire) est représenté au DESY (Deutsche Elektron Synchrotron, Allemagne) par le projet de super-collisionneur linéaire TESLA Tera-Electronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator), collisionneur linéaire e+e- entièrement supraconducteur. Le projet TESLA est un accélérateur linéaire de 33 kilomètres de long, 21 000 cavités supraconductrices qui fonctionneront à -271 °C, des champs d'accélération supérieurs à 25 MV/mètre, 500 GeV à 800 GeV d'énergie disponible à chaque collision. Le boson de Higgs et les indices des supersymétries seront étudiés.

Une deuxième voie est représentée par le projet CLIC, préparé par le CERN mais en retard sur TESLA. L’accélérateur linéaire du CERN qui succédera au LHC, est le Compact LInear Collider (CLIC), qui utilisera des cavités accélératrices en cuivre. Le projet CLIC vise une énergie de 3 à 5 TeV. Ses cavités en cuivre permettent d’obtenir

de très grandes accélérations des particules, ce qui réduit la taille de l’accélérateur. Il adopte un concept appelé « accélération à deux faisceaux », qui consiste à utiliser un faisceau de faible énergie et de haute intensité (faisceau pilote) pour créer un faisceau à haute énergie et de faible intensité (faisceau principal), en quelque sorte l’équivalent d’un transformateur électrique. Cela reste toutefois à valider sur le plan technologique.

L’International Linear Collider (ILC) concurrent de CLIC est plus avancé mais moins puissant que lui (sa technologie est plus maîtrisée). Prévu pour les années 2012-2019 (collisionneur linéaire e+e- de 31 km de long). L'ILC souffre cependant du désengagement des gouvernements britanniques et américains[17].

Le projet X est un modèle réduit (700 mètres) de l'ILC, accélérateur linéaire à protons de 8 GeV qui serait intégré au centre de l'anneau du Tevatron.

Les physiciens américains (Fermilab) envisagent des collisions de muons et des usines à neutrinos.

Accélérateurs synchrotrons[modifier]

Alors que l'on se trouve déjà à la 6e génération de machines, l'évolution technique des synchrotrons est loin d'être achevée, des progrès étant attendus sur les onduleurs, l'optique des lignes de lumière, et l'instrumentation, et notamment les détecteurs. De nouvelle perspectives existent en termes de machines dérivées des actuels synchrotrons mais complémentaires, les lasers à électrons libres (LEL)[18].

Alternatives[modifier]

Dans ces structures conventionnelles, le champ accélérateur est limité à quelque 50 MV/m à cause de claquage des parois pour des champs plus importants. Afin d'atteindre des énergies élevées, il faut donc construire des structures gigantesques (LEP, LHC mais abandon du SSC). Une alternative possible est l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. L'accélération a lieu dans un milieu déjà ionisé, ce qui élimine les problèmes de claquage. Les champs accélérateurs sont aussi nettement plus élevés, ce qui permet de réduire la longueur d'accélération.

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Pour les articles homonymes, voir Boson (homonymie).

Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser.

Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des bosons est toujours dans un état totalement symétrique par rapport à l'échange de particules. Toutes les particules élémentaires découvertes à ce jour sont soit des bosons, soit des fermions, ces derniers ne pouvant être que dans un état totalement antisymétrique par rapport à l'échange de particules. Le théorème spin-statistique indique que les particules de spin entier sont des bosons, alors que les particules de spin demi-entier sont des fermions.

Le fait qu'une particule soit un boson ou un fermion a d'importantes conséquences sur les propriétés statistiques observables en présence d'un grand nombre de particules : les fermions sont des particules qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac alors que les bosons obéissent à la statistique de Bose-Einstein. Dans le cas des bosons, cette statistique implique une transition de phase à basse température, responsable notamment de la superfluidité de l'hélium ou de la supraconductivité de certains matériaux. Plus généralement, les bosons montrent une tendance à s'agréger lors des processus d'interaction entre les particules, comme par exemple lors de l'émission stimulée de lumière qui donne lieu au laser.

Sommaire

[masquer]

1 Historique 2 Échange de particules identiques en mécanique quantique

3 Particules élémentaires se comportant comme des bosons

4 Bosons composites

5 Phénomènes montrant le comportement bosonique

6 Notes et références

7 Voir aussi

o 7.1 Articles connexes

o 7.2 Liens et documents externes

Historique[modifier]

Le terme de boson provient du nom du physicien Satyendranath Bose et aurait été utilisé pour la première fois par Paul Dirac [ 1 ] . Bose se rendit compte le premier que pour expliquer la loi de Planck décrivant le rayonnement du corps noir à partir des photons précédemment découverts par Einstein, il fallait supposer que les photons ne suivent pas la statistique de Maxwell-Boltzmann, mais plutôt une statistique désormais appelée statistique de Bose-Einstein. Bose écrit un court article, Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta, qu'il envoie à Albert Einstein, après un rejet par le Philosophical Magazine. Einstein est favorablement impressionné et le recommande pour publication dans Zeitschrift für Physik, et il en fait lui-même la traduction de l'anglais vers l'allemand. Einstein va également étendre la notion de boson à d'autres particules telles que les atomes et contribuer à la popularité du concept de boson.

Échange de particules identiques en mécanique quantique[modifier]

Article détaillé : particules indiscernables.

Le fait qu'en mécanique quantique les particules ne suivent pas une trajectoire déterminée rend l'identification des particules complètement impossible. Autrement dit, des particules qui ne diffèrent pas par leur masse ou leur état interne sont complètement indistinguables l'une de l'autre, et n'ont pas d'individualité propre. Il s'ensuit qu'une mesure complète sur chacune des particules ne peut suffire à caractériser complètement l'état du système, ce phénomène étant dénommé dégénérescence d'échange.

Pour illustrer ce que l'on entend par dégénérescence d'échange, supposons donné un ensemble complet d'observables qui commutent (ECOC) pour une particule et notons

la base de vecteurs propres communs à toutes les observables de cet ECOC. Si le système est composé d'une seule particule, et que l'on mesure toutes les observables de l'ECOC, d'après les postulats de la mécanique quantique, on va projeter l'état du système sur l'un des vecteurs ∣up⟩, de sorte que l'état du système après la mesure sera complètement connu. Supposons maintenant que le système soit composé de deux particules et que l'on effectue une mesure complète de chacune des particules. Le résultat que l'on obtient sera : une particule est dans l'état ∣up⟩ et l'autre est dans l'état ∣up'⟩, mais puisqu'on ne peut pas identifier les particules, on ne sait pas laquelle est dans ∣up⟩ et laquelle est dans ∣up'⟩. En conséquence, le vecteur mathématique décrivant l'état du système est indéterminé. Ce peut être :

1. ,

2. , en échangeant le rôle des particules par rapport à ci-dessus,

3. ou n'importe quel vecteur de l'espace engendré par ces deux vecteurs.

Pour lever la dégénérescence d'échange, [2] on construit deux opérateurs S et A qui projettent

l'espace sur un ket unique soit complètement symétrique lors de l'échange de deux particules (dans le cas de S), soit complètement antisymétrique (dans le cas de A). On postule ensuite que le vecteur représentant correctement l'état du système est ce ket unique. Les particules ayant un vecteur d'état complètement symétrique sont les bosons, tandis que celles ayant un vecteur d'état complètement antisymétrique sont les fermions. Cette approche n'est pas limitée au cas de deux particules et peut être généralisée à un nombre quelconque de particules. Des travaux récents de physique théorique ont découvert d'autres moyens de résoudre ce problème qui conduisent à des comportements différents, tels que les anyons ou les plektons en théorie des cordes. Toutefois, toutes les particules élémentaires décrites par le modèle standard sont soit des bosons lorsque leur spin est entier, soit des fermions lorsque leur spin est demi-entier.

Particules élémentaires se comportant comme des bosons[modifier]

Parmi les particules élémentaires découvertes à ce jour, les bosons sont tous des bosons de jauge, c’est-à-dire qu'ils agissent comme des intermédiaires des interactions fondamentales :

le photon est le vecteur de l'interaction électromagnétique les huit gluons de l'interaction forte

les bosons Z0, W- et W+ de l'interaction faible

Le modèle standard de la physique des particules prédit l'existence de deux particules supplémentaires, le boson de Higgs, objet de nombreuses recherches, mais qui n'a pas été mis en évidence jusqu'à présent, et le graviton, boson de jauge qui serait responsable de l'interaction gravitationnelle.

L'existence possible d'autres bosons en dehors du modèle standard est actuellement recherchée, comme par exemple dans le cas de l'axion qui serait un boson très léger.

Bosons composites[modifier]

Les particules composées de particules plus élémentaires, comme par exemple les atomes ou le proton, peuvent être des fermions ou des bosons, selon leur spin total (entier pour les bosons, demi-entier pour les fermions).

Exemples de bosons composites :

atome d'hélium 4 état de deux électrons formant une paire de Cooper dans les matériaux supraconducteurs

exciton

polariton

Phénomènes montrant le comportement bosonique[modifier]

Articles détaillés : statistique de Bose-Einstein et condensat de Bose-Einstein.

Condensation de bosons – des atomes de rubidium – dans un état quantique unique lorsque l'on baisse la température.

Alors que les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli : « Un état quantique donné ne peut être occupé que par au plus un seul fermion », ce n'est pas le cas des bosons. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre quelconque de bosons. C'est même l'inverse qui se produit et les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné.

En conséquence, comme les photons ainsi que de nombreux atomes sont des bosons, dans certains cas ils peuvent s'accumuler dans le même niveau. Ceci permet d'expliquer :

le rayonnement du corps noir, qui s'explique par la statistique des photons ; la population macroscopique d'un mode unique de photon dans un laser ;

le groupement des photons lors de leur détection (expérience de Hanbury-Brown et Twiss)

la transition de phase vers un état cohérent à basse température, c'est-à-dire dans lequel deux parties du système puissent interférer. Une telle transition de phase est observée dans différents systèmes :

o dans les gaz atomiques dilués, qui sont l'exemple le plus proche de la condensation de Bose-Einstein d'un gaz parfait de bosons envisagée initialement par Bose et Einstein,

o dans l'Hélium 4 qui devient superfluide à basse température,

o dans certains métaux qui deviennent supraconducteurs à basse température

Dans ces deux derniers cas, les interactions entre particules sont fortes et l'état fondamental dans lequel se développe le condensat est très différent de l'état fondamental du système en l'absence de condensat. En particulier, il existe de fortes corrélations entre les atomes.

Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble [1] ,[2],[3]; Robert Brout et François Englert (et nommé « boson scalaire massif » par ceux-ci[4]) ainsi que par Peter Higgs [5] pour expliquer la brisure de l'interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Higgs. Il serait aussi le quantum du champ de Higgs.

Le boson de Higgs donnerait une masse non nulle à certains bosons de jauge (bosons W et boson Z) de l'interaction électrofaible leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'électromagnétisme, le photon.

L'expérience déterminante sera celle qui permettra de produire un champ de Higgs, ou son équivalent quantique, le boson de Higgs. Sa découverte sera une confirmation du modèle standard qui le prédit et dont la cohérence dépend de son existence. Le boson de Higgs n'apparaîtrait qu'à des énergies supérieures ou égales à 115 GeV et on a pensé un temps qu'il avait été mis en évidence au LEP en 2000. Cette observation a été peu convaincante : la signifiance statistique était trop faible. Néanmoins, si on le découvre, cela permettrait de vérifier les concepts d'unification et de les étendre à un domaine d'énergie plus élevé. Actuellement la limite inférieure de la masse du boson de Higgs est de 114,4 GeV⋅c-2 (à 95 % C.L., c'est-à-dire 95 % de l'intervalle de confiance). Au-dessous de cette valeur, il n'y a eu aucune découverte statistiquement valable.

Une des voies possibles de formation d'un boson de Higgs neutre à partir de 2 quarks et l'échange de bosons électrofaibles

D'autre part, d'après la formule de base de la Relativité E=mc 2 et toutes les réactions d'annihilation matière-antimatière effectuées ; il semble bien que, situé à l'origine de la masse, si ce boson existe, il sera neutre et, tout comme le photon, susceptible de représenter son antiparticule.

Le LHC, qui remplace le LEP et est opérationnel depuis le 10 septembre 2008, fera de la recherche du boson de Higgs l'une de ses priorités : s'il existe, il devrait être possible de l'observer (à plus de 99 % C.L.) en moins de 5 ans, quelle que soit sa masse (jusqu'à environ 800 GeV⋅c-2). Le LHC ou le Tevatron (collisionneur proton antiproton) pourraient découvrir un boson de Higgs qui satisfasse au modèle standard ou 5 bosons de Higgs (trois neutres et deux portant des charges électriques) selon la prédiction du modèle supersymétrique.

Sommaire

[masquer] 1 Le boson de Higgs et l'origine de la masse

2 Une compétition entre les accélérateurs collisionneurs

3 Références

4 Voir aussi

o 4.1 Liens externes

o 4.2 Bibliographie

Le boson de Higgs et l'origine de la masse

Quel mécanisme, dans la théorie électrofaible, génère la masse des bosons W+, W- et Z° ? Pourquoi le photon n'acquiert-il pas de masse ? Les masses des fermions sont-elles reliées à ce mécanisme ? Pourquoi les masses des quarks sont-elles si différentes les unes des autres ? Pour tenter de répondre à ces questions, on introduit la notion de symétrie, et de sa brisure, dans la théorie électrofaible. Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois de conservation. La symétrie est aussi reliée au concept de l'invariance : si un changement effectué dans un système physique ne produit aucun effet observable, le système est dit invariant au changement, impliquant une symétrie (voir théorème de Noether).

L'unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l'échange de bosons. Lorsqu'on dit qu'il existe une force entre deux fermions (spin 1/2), c'est aussi dire qu'ils sont en train d'échanger des bosons. Il faut maintenant comprendre comment les bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent une masse. Dans le cas de l'unification électrofaible, comment les bosons W± et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n'est pas le cas pour le photon ?

Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons, Salam, Glashow et Weinberg ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W± et Z° d'acquérir une masse. De tels mécanismes avaient été développés dans d'autres contextes par divers théoriciens : Yoshiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Peter Higgs et Philip Anderson. L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, qu'on surnomme champ de Higgs.

Le champ de Higgs est différent des autres champs puisqu'à basse température (énergie), l'espace « préfère » être rempli de particules de Higgs que de ne pas l'être. Les bosons W± et Z° interagissent avec ce champ (contrairement au photon), et avancent à travers l'espace comme s'ils se mouvaient dans une « mélasse » épaisse. De cette manière, ils acquièrent une masse effective. A haute température (énergie), les interactions dans le champ de Higgs sont telles que l'espace n'est plus rempli de cette mélasse Higgsienne, les W± et Z° perdent leur masse et la symétrie entre les W± , Z° et le photon n'est plus brisée, elle est restaurée. On dit qu'elle est manifeste.

Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure de la symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, mais interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons). Ils acquièrent ainsi une masse. Les plus légers sont les neutrinos (jusqu'à récemment, nous les croyions de masse nulle), vient ensuite

l'électron avec une masse de 0,511 MeV⋅c-2. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV⋅c-2.

Les particules (bosons, fermions) acquièrent une masse à cause du champ de Higgs, mais pourquoi chaque particule acquiert-elle une masse différente, ou n'acquiert-elle pas de masse du tout comme dans le cas du photon ? Pourquoi la force de l'affinité des particules avec le champ de Higgs, ce qu'on appelle le couplage, est-elle si différente d'une particule à l'autre, et donc comment expliquer cette hiérarchie des masses ? Aujourd'hui, on ne connaît pas les réponses à ces questions.

Une compétition entre les accélérateurs collisionneurs

L'existence du Higgs est trop brève pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de ses produits de désintégration[6]. Des événements mettant en jeu des particules ordinaires peuvent imiter le signal produit par un boson de Higgs. Des études conduites au LEP permettent de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le Higgs[7]. Or pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003 %[réf. nécessaire].

Dans la compétition entre le LHC et le Tevatron, ce dernier a une longueur d'avance malgré son énergie maximale 7 fois plus faible : le bruit de fond des collisions est moins grand, et les antiparticules (antiquarks des antiprotons) pourraient engendrer des événements plus spécifiques, plus faciles à distinguer des collisions protons/ protons.

L'accélérateur idéal serait un collisionneur électron-positron formé de deux accélérateurs linéaires face-à-face de 500 à 1000 GeV. L'ILC (International Linear Collider) programmé pour 2015 environ, ainsi que le CLIC (Compact Linear Collider) permettraient de comprendre comment le boson de Higgs est à l'origine de sa propre masse.

En juillet 2010, les expériences du Tevatron montrent que la masse du boson de Higgs devrait se situer entre 114 et 158 GeV ou entre 175 et 185 GeV[8].

L'électrodynamique quantique relativiste (QED en anglais) est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste. Selon cette théorie, les charges électriques interagissent par échange de photons.

Sommaire

[masquer] 1 Description 2 La renormalisation

3 Le Lagrangien de l'interaction

4 Voir aussi

5 Bibliographie

o 5.1 Ouvrages de vulgarisation

o 5.2 Ouvrages de référence

Description[modifier]

L'électrodynamique quantique est une théorie quantique des champs de l'électromagnétisme. Elle décrit l'interaction électromagnétique des particules chargées et a été appelée le "bijou de la physique" (Richard Feynman ; Lumière & matière : une étrange histoire) pour ses prédictions extraordinairement précises dans la détermination théorique de quantités (mesurées par ailleurs) telles que l'anomalie de moment magnétique des leptons, ou encore le décalage de Lamb des niveaux d'énergie de l'hydrogène.

Mathématiquement, cette théorie a la structure d'un groupe abélien avec un groupe de jauge U(1). Le champ de jauge qui intervient dans l'interaction entre deux charges représentées par des champs de spin 1/2 est le champ électromagnétique. Physiquement, cela se traduit en disant que les particules chargées interagissent par l'échange de photons.

L'électrodynamique quantique fut la première théorie quantique des champs dans laquelle les difficultés pour élaborer un formalisme purement quantique permettant la création et l'annihilation de particules ont été résolus de façon satisfaisante.

Tomonaga, Schwinger et Feynman ont reçu en 1965 le prix Nobel de physique pour leur contribution à cette théorie, en particulier par la mise au point du calcul des quantités observables en utilisant la covariance et l'invariance de jauge.

La renormalisation[modifier]

La procédure de renormalisation pour s'affranchir de quantités infinies indésirables rencontrées en théorie quantique des champs a trouvé en l'électrodynamique quantique sa première réussite.

Le Lagrangien de l'interaction[modifier]

Le lagrangien relativiste de l'interaction entre électrons et positrons par l'échange de photons est:

et sont les champs représentant des particules chargées électriquement, les électrons et positrons sont représentés par des champs de Dirac.

γμ sont les matrices de Dirac, qui se construisent avec des matrices de Pauli σi.

est la dérivée covariante de jauge,

avec la constante de couplage (égale à la charge élémentaire),

est le quadrivecteur potentiel de l'électromagnétisme.

Et est le tenseur électromagnétique apparaissant en relativité restreinte.

Cette part du lagrangien décrit la propagation libre du champ électromagnétique, tandis que la partie ressemblant à l'équation de Dirac décrit l'évolution de l'électron et du positron dans leur interaction par l'intermédiaire du quadrivecteur potentiel.

ÉlectronUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Traduction à relire --- Electron → Électron --- (+)

Électron

Une des premières expériences : le tube de Crookes crée un faisceau d'électrons naissant à la cathode (à g.) et allant grosso modo en ligne droite. L'anode, découpée en forme de croix de Malte, projette une ombre sur le fond du tube (à dr.) rendu luminescent par les électrons.

Propriétés générales

Classification Fermion

Composition Élémentaire

Groupe Lepton

Génération 1ère

Propriétés physiques

Masse510,998 918 (44) keV.c-2

(9,109 382 6(16)×10-31 kg)

Charge électrique-1 e(−1,60217653(14)×10-19 C)

Spin 1/2

Durée de vieStable (expérimentalement, supérieure à 4,6.1026 années)

Historique

Prédiction Stoney (1874)

Découverte Thomson (1897)

L'électron est une particule élémentaire [ 1 ] de la famille des leptons. Il possède une charge électrique élémentaire de signe négatif. C’est l’un des composants de l’atome avec les neutrons et les protons.Le concept d’une quantité indivisible de charge électrique a été élaboré dès 1838 par le naturaliste britannique Richard Laming afin d’expliquer les propriétés chimiques des atomes [ 2 ] . Le nom d’« électron » pour cette charge est dû au physicien irlandais George Stoney. L’électron a ensuite été identifié[3] comme le corpuscule envisagé par J. J. Thomson et son équipe de physiciens britanniques[4],[5] en 1897, suite à leurs travaux sur les rayons cathodiques.

Sommaire

[masquer]

1 Histoire o 1.1 Découverte

o 1.2 Théorie de l'atome

o 1.3 La mécanique quantique

o 1.4 Accélérateurs de particules

2 Caractéristiques

o 2.1 Classification

o 2.2 Propriétés fondamentales

o 2.3 Propriétés quantiques

o 2.4 Particules virtuelles

o 2.5 Interaction

o 2.6 Atomes et molécules

o 2.7 Conductivité

o 2.8 Mouvement et énergie

3 Formation des électrons de l'univers

o 3.1 Formation au Big Bang

o 3.2 Formation dans les étoiles

o 3.3 Formation dans les rayons cosmiques

4 Observation

5 Applications du plasma

o 5.1 Faisceaux de particules

o 5.2 Microscopie

o 5.3 Autres applications

6 Notes et références

o 6.1 Notes

o 6.2 Bibliographie

o 6.3 Références

7 Voir aussi

o 7.1 Liens internes

o 7.2 Liens externes

Histoire[modifier]Articles connexes : Histoire de l'électricité et Électromagnétisme.Les anciens Grecs avaient déjà remarqué que l'ambre attire les petits objets quand elle est frottée avec de la fourrure ; en dehors de la foudre, ce phénomène est la plus ancienne expérience de l'humanité notée en rapport avec l'électricité[6]. Dans son traité de 1600 De Magnete, le médecin anglais William Gilbert forge le mot bas-latin electricus, pour désigner cette propriété d'attirer les petits objets après frottement[7]. Les mots « électrique » et « électricité » sont dérivés du latin ēlectrum (aussi racine de l'alliage métallique

électrum), dérivé à son tour du mot grec ἤλεκτρον (êlectron´) pour ambre.En 1737, C. F. du Fay et Hawksbee découvrent ce qu'ils croyaient être deux sortes d'électricité : celle engendrée en frottant du verre et celle engendrée en frottant la résine. Du Fay conclut alors que l'électricité peut se réduire à deux fluides électriques, « vitreux » et « résineux », que l'on sépare par frottement, et que l'on peut recombiner ensemble[8]. Une décennie plus tard, Benjamin Franklin affirme que l'électricité ne diffère pas des autres types de fluides électriques mais qu'il s'agit de la même chose, sous des pressions différentes. Il lui apporte la nomenclature moderne de charge positive ou négative respectivemement[9],[10].Entre 1838 et 1851, le naturaliste britannique Richard Laming (en) développe l'idée qu'un atome est composé d'un noyau de matière, entouré par des particules subatomiques qui ont une charge électrique unité[11]. À partir de 1846, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber émet la théorie que l'électricité est composée de fluides chargés positivement et négativement, et que leur interaction est régie par une loi en carré inverse. Après avoir étudié le phénomène d'électrolyse en 1874, le physicien irlandais George Stoney suggère qu'il existe « une seule quantité définie d'électricité », la charge d'un ion monovalent. Il était alors capable d'estimer la valeur de cette charge élémentaire e à partir des lois de l'électrolyse de Faraday [ 12 ] . Cependant, Stoney croyait que ces charges étaient attachées de façon permanente aux atomes, et ne pouvaient leur être enlevées. En 1881, le physicien allemand Hermann von Helmholtz argumenta que les charges positives et négatives étaient composées de parties élémentaires, chacune « se comportant comme des atomes d'électricité[2] ».En 1894, Stoney forge le terme d'« électron » pour désigner ces

charges élémentaires, disant « ... une estimation a été faite de la valeur réelle de cette unité fondamentale très remarquable d'électricité, pour laquelle je me suis risqué à proposer le nom d'« électron » »[13]. Le mot électron est une combinaison du mot électrique et du suffixe - on , le dernier étant maintenant utilisé pour désigner une particule subatomique, comme le proton ou le neutron[14],

[15].Découverte[modifier] Un faisceau d'électrons défléchis en cercle par un champ magnétique[16]Le physicien allemand Johann Wilhelm Hittorf entreprend l'étude de la conductivité dans les gaz raréfiés. En 1869, il découvre une lueur émise par la cathode, dont la taille croît quand la pression du gaz diminue. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques [ 17 ] . Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais Sir William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur[18]. Puis il montre que les rayons luminescents apparaissant dans le tube transmettent de l'énergie, et se déplacent de la cathode vers l'anode. De plus, en appliquant un champ magnétique, il est capable de défléchir les rayons, montrant par là que le faisceau se comporte comme s'il est chargé négativement[19],[20]. En 1879, il propose que ces propriétés sont expliquées par ce qu'il appelle « matière radiante ». Il suggère que c'est un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode[21].Le physicien

britannique né allemand Arthur Schuster développa les expériences de Crookes en disposant des plaques de métal parallèlement aux rayons cathodiques, et en appliquant une différence de potentiel électrique entre les plaques. Le champ électrique défléchit les rayons vers la plaque chargée positivement, ce qui renforce la preuve que les rayons portent une charge négative. En mesurant la déflexion selon la différence de potentiel, Schuster est capable en 1890 de mesurer le rapport masse sur charge des composantes des rayons. Cependant, ceci donna une valeur plus de mille fois plus faible que la valeur attendue, si bien que l'on n'accorda que peu de confiance à son calcul à l'époque[19],[22].En 1896-1897, le physicien britannique J. J. Thomson, et ses collègues John S. Townsend (en) et H. A. Wilson (en) [ 4 ] réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées, plutôt que des ondes, des atomes ou des molécules comme il était cru avant. Thomson fait de bonnes estimations à la fois de la charge e et de la masse m, trouvant que les particules des rayons cathodiques, qu'il appelle « corpuscules », ont environ un millième de la masse de l'ion le plus léger connu alors : l'hydrogène [ 5 ] . Il montre que le rapport charge sur masse e/m est indépendant de la matière de la cathode. Il montre en plus que les particules chargées négativement produites par les matériaux radioactifs, les matières chauffées et les matières illuminées sont universellement les mêmes[23]. Le nom d'électron a été reproposé par le physicien irlandais George F. Fitzgerald, ce qui a été maintenant accepté universellement[19].En étudiant les minéraux naturellement fluorescents, le physicien français Henri Becquerel découvre que ceux-ci émettent des rayonnements en l'absence de toute source

d'énergie externe. Ces matériaux radioactifs deviennent le sujet de beaucoup d'intérêt de la part des scientifiques, y compris le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, qui découvre qu'ils émettent des particules. Il désigne ces particules sous le nom de particules alpha et bêta, selon leur pouvoir de pénétrer à travers la matière[24]. En 1900, Becquerel montre que les rayons bêta émis par le radium sont défléchis par un champ électrique, et que leur rapport masse sur charge est le même que celui des rayons cathodiques[25]. Cette preuve renforçait l'idée que les électrons existent comme composants des atomes[26],[27].La charge de l'électron est mesurée de façon plus précise par le physicien américain Robert Millikan par son expérience sur la goutte d'huile de 1909,, dont il publie les résultats en 1911. Cette expérience utilise un champ électrique pour empêcher une goutte d'huile chargée de tomber sous l'action de la pesanteur. Ce système pouvait mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3%. Des expériences comparables avaient été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse[4] et en 1911 par Abram Ioffé, qui a obtenu indépendamment le même résultat que Millikan en utilisant des microparticules de métal, et publia ses résultats en 1913[28]. Cependant, les gouttes d'huile étaient plus stables que les gouttes d'eau à cause de leur évaporation plus lente, et elles se prêtaient mieux à des expériences de longue durée[29].Vers le début du XXe siècle, on trouve que sous certaines conditions, une particule rapide provoque la condensation d'une vapeur d'eau sursaturée le long du trajet. En 1911, Charles Wilson utilise ce principe pour mettre au point sa chambre à brouillard, qui permet de photographier les traces de

particules chargées, comme des électrons rapides[30].Théorie de l'atome[modifier]

Le modèle de Bohr de l'atome, montrant les états de l'électron avec des énergies quantifiées par le nombre n. Un électron tombant vers une orbite plus basse émet un photon d'énergie égale à la différence d'énergies entre les orbites en question.En 1914, les expériences des physiciens Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck et Gustav Hertz avaient solidement établi la structure de l'atome comme un noyau positivement chargé entouré d'électrons de masse plus faible[31]. En 1913, le physicien danois Niels Bohr postule que les électrons sont dans des états quantifiés, dont l'énergie est déterminée par le mouvement angulaire autour du noyau. Les électrons peuvent passer d'un état à l'autre, par émission ou absorption de photons à des fréquences spécifiques. Au moyen de ces orbites quantifiées, il explique précisément les raies spectrales de l'atome d'hydrogène[32]. Cependant, le modèle de Bohr n'arrivait pas à rendre compte des intensités relatives des raies spectrales, et pas non plus à expliquer les spectres d'atomes plus complexes[31].Les liaisons chimiques entre atomes sont expliqués par Gilbert Lewis, qui propose en 1916 que la liaison covalente entre atomes est maintenue par une paire d'électrons qu'ils se partagent[33]. Plus tard, en 1927, Walter Heitler et Fritz London donnent toute

l'explication de la formation de paire d'électrons et de liaison chimique en termes de mécanique quantique [ 34 ] .En 1919, le chimiste américain Irving Langmuir avait raffiné le modèle statique d'atome de Lewis, et suggéré que tous les électrons étaient distribués en «  couches concentriques (à peu près) sphériques, toutes de même épaisseur »[35]. Les couches étaient à leur tour divisées en un certain nombre de cellules, chacune contenant une paire d'électrons. Avec ce modèle, Langmuir arrivait à expliquer qualitativement les propriétés chimiques de tous les éléments de la table périodique[34], que l'on savait se ressembler assez, selon la loi de similitude[36].En 1924, le physicien autrichien Wolfgang Pauli remarqua que la structure en couches de l'atome pourrait être expliquée par un ensemble de quatre paramètres, qui définissait tous les états en énergie, aussi longtemps que chaque état n'était occupé que par un seul électron[37]. (Cette interdiction faite à deux électrons d'occuper le même état est devenu connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli.) Le mécanisme physique pour expliquer le quatrième paramètre, qui peut prendre deux valeurs, a été fourni par les physiciens néerlandais Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, quand ils ont suggéré que l'électron, outre le moment angulaire de son orbite, pourrait avoir un moment angulaire intrinsèque[31],

[38]. Cette propriété devint connue sous le nom de spin, et elle expliquait le dédoublement des raies spectrales observé avec un spectrographe à haute résolution, qui était resté mystérieux jusque là ; ce phénomène est connu sous le nom de structure hyperfine des raies[39].La mécanique quantique[modifier]Les électrons, comme toute la matière, ont les propriétés quantiques d'être à la fois onde et corpuscule, si bien qu'ils peuvent avoir des collisions avec d'autres particules, et être diffractés comme la lumière.

Cependant cette dualité est montrée plus facilement avec les électrons, en raison de leur faible masse. Puisqu'un électron est un fermion, il satisfait au principe d'exclusion de Pauli [ 40 ] .Article connexe : Histoire de la mécanique quantique.Dans sa dissertation « Recherches sur la théorie des quanta », le physicien français Louis de Broglie émet l'hypothèse que toute matière possède une onde de de Broglie semblable à la lumière [ 41 ] . C'est-à-dire que sous des conditions appropriées les électrons et autres particules matérielles montrent les propriétés soit de particules soit d'ondes. Les propriétés corpusculaires d'une particule sont démontrées quand elle apparaît localisée à un endroit dans l'espace le long d'une trajectoire à tout moment[42]. La nature ondulatoire est observée, par exemple, quand un faisceau passe à travers des fentes parallèles et crée des figures d'interférence. En 1927, l'effet d'interférence avec un faisceau d'électrons est démontré par le physicien anglais George Paget Thomson, au moyen d'un mince film métallique, et par les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer en utilisant un cristal de

nickel [ 43 ] . En mécanique quantique, le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une orbitale, qui est une distribution de probabilité plutôt qu'une orbite. Sur la figure, la coloration

correspond à la probabilité relative de « trouver » l'électron de cette orbitale en ce point.Le succès de la prédiction de de Broglie conduisit à la publication par Erwin Schrödinger en 1926, de l'équation de Schrödinger qui décrit avec succès la propagation des ondes d'électrons[44]. Plutôt que d'avoir une solution donnant la position d'un électron dans le temps, cette équation d'onde peut être utilisée pour prédire la probabilité de trouver un électron près d'un endroit. Cette approche a été ultérieurement nommée mécanique quantique, et a donné une très bonne approximation des états d'énergie dans l'atome d'hydrogène[45]. Une fois que le spin et les interactions entre les divers électrons ont été pris en compte, la mécanique quantique permet avec succès le calcul des électrons dans des atomes avec un numéro atomique plus élevé que le 1 de l'hydrogène[46].En 1928, améliorant le travail de Wolfgang Pauli[47], Paul Dirac produit un modèle de l'électron – l'équation de Dirac, compatible avec la théorie de la relativité, en appliquant des considérations de symétrie et de relativité à la formulation hamiltonienne de la mécanique quantique du champ électromagnétique[48]. Pour résoudre certains problèmes avec son équation relativiste, en 1930, Dirac développe un modèle de vide avec une mer infinie de particules d'énergie négative, parfois nommé « mer de Dirac ». Ceci le conduit à prédire l'existence du positron, semblable à l'électron dans l'antimatière [ 49 ] . Cette particule avait été découverte par Carl D. Anderson, qui a proposé d'appeler les électrons standard « négatrons » et d'utiliser le terme électron comme générique pour désigner les variantes des deux charges. Cet usage du terme négatron est encore rencontrée à l'occasion aujourd'hui, et peut être abrégée en négaton[50],[51].En 1947, Willis Lamb, en

collaboration avec le thésard Robert Retherford, trouve que certains états quantiques de l'atome d'hydrogène, qui devraient avoir la même énergie, sont décalés, le décalage étant connu sous le nom décalage de Lamb ou sous l'original anglais de Lamb shift. À peu près au même moment, Polykarp Kusch, travaillant avec Henry M. Foley, découvre que le moment magnétique de l'électron est un peu plus grand que celui prédit par la théorie de Dirac. Cette petite différence sera ultérieurement appelée moment magnétique anomal de l'électron. Pour résoudre ces problèmes, une théorie plus élaborée, appelée électrodynamique quantique est mise au point par Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard Feynman à la fin des années 1940[52],[53],[54].Accélérateurs de particules[modifier]Avec le développement des accélérateurs de particules pendant la première moitié du XXe siècle, les physiciens ont commencé à entrer plus à fond dans les propriétés des particules subatomiques [ 55 ] . Les premières tentatives pour accélérer des électrons en utilisant l'induction électromagnétique ont été faites avec succès en 1942 par Donald Kerst. Son bétatron initial atteint une énergie de 2,3 MeV, alors que les bétatrons suivants finissent par atteindre 300 MeV. En 1947, le rayonnement synchrotron est découvert, avec un synchrotron à électrons de 70 MeV chez General Electric. Ce rayonnement est provoqué par l'accélération des électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière[56].Avec une énergie de faisceau de 1,5 GeV, le premier collisionneur de particules à haute énergie est ADONE, qui commence à fonctionner en 1968[57]. Cet appareil accélère des électrons et des positrons en sens inverse, ce qui fait plus que doubler l'énergie dans leur collision, comparée à la collision de l'un des faisceaux avec

une cible immobile, en raison de la perte d'énergie provoquée par le recul inévitable de la cible[58]. Le grand collisionneur électron-positon, plus connu sous son acronyme anglais LEP au CERN, qui a fonctionné de 1989 à 2000, a atteint des énergies de collisions de 209 GeV et réalisé des mesures importantes pour le modèle standard de la physique des particules[59],

[60]Caractéristiques[modifier]L'électron a une masse approximativement 1/1836 celle du proton [ 61 ] . Le moment angulaire intrinsèque (spin) de l'électron est la moitié de la constante de Planck réduite ħ, ce qui implique que c'est un fermion. L'antiparticule de l'électron s'appelle le positron, qui a des propriétés identiques à celles de l'électron, sauf en ce qui concerne la charge électrique et d'autres charges physiques (nombre leptonique, nombre électronique), qui sont directement opposées. Ceci permet l'annihilation d'un électron avec un positron, en ne produisant que de l'énergie sous forme de rayons gamma. Les électrons, qui appartiennent à la première génération de la famille des leptons [ 40 ] , sont soumis aux forces gravitationnelles, électromagnétiques et faibles. Ils échappent aux interactions fortes [ 62 ] .Dans beaucoup de phénomènes physiques, tels l'électricité, le magnétisme et la conductivité thermique, les électrons jouent un rôle essentiel. Un électron en mouvement par rapport à un observateur engendre pour lui un champ magnétique, et sera défléchi par des champs magnétiques externes. Quand un électron est accéléré, il peut absorber ou rayonner de l'énergie sous forme de photons. Les électrons, avec les noyaux atomiques, faits de protons et de neutrons, font des atomes. Cependant, les électrons ne constituent que moins de 0,06% de la masse totale d'un atome. La force coulombienne électrostatique attractive fait que les

électrons sont liés dans les atomes. L'échange, ou le partage d'électrons entre atomes voisins est la cause principale de la liaison chimique [ 63 ] .Selon la théorie, la plupart des électrons de l'univers ont été créés pendant le Big Bang, mais ils peuvent être aussi produits actuellement par radioactivité β des noyaux radioactifs, et dans des collisions de haute énergie, par exemple quand les rayons cosmiques, pénètrent dans l'atmosphère. Les électrons peuvent être détruits par annihilation avec les positrons, ainsi que pendant la nucléosynthèse dans les étoiles.Classification[modifier]

Modèle standard des particules élémentaires. L'électron est en bas à gaucheDans le modèle standard de la physique des particules, les électrons appartiennent au groupe des particules subatomiques appelées leptons, que l'on pense être des particules élémentaires ou fondamentales, c'est-à-

dire qu'elles ne comportent pas de sous-particule. Les électrons ont la plus faible masse de toutes les particules chargées, et appartiennent à la première famille ou génération[64].Les seconde et troisième générations contiennent des leptons chargés, le muon et le tauon, identiques à l'électron sous tous rapports, sauf leur masse, bien plus élevée. Les leptons diffèrent des autres constituants de base de la matière, les quarks parce qu'ils ne sont pas sensibles aux interactions fortes. Tous les membres du groupe des leptons sont des fermions, parce qu'ils ont un spin demi-entier ; le spin de l'électron est ½[65].Propriétés fondamentales[modifier]La masse d'un électron est approximativement 9,109×10-31 kg [ 66 ] , ou 5,489×10-4 unité de masse atomique. Sur la base du principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, ceci correspond à une énergie de 0,511 MeV. Le rapport entre les masses du proton et de l'électron est d'environ 1836[61],

[67]. Les mesures astronomiques montrent que ce rapport n'a pas changé de façon mesurable pour la moitié de l'âge de l'Univers, comme prédit par le modèle standard[68].Les électrons ont une charge électrique de -1,602×10-19 C [ 66 ] , qui est utilisée comme unité standard de charge pour les particules subatomiques. À la limite de la précision des expériences, la charge de l'électron est directement opposée à celle du proton[69]. Comme le symbole e est utilisé pour la charge élémentaire, le symbole de l'électron est e–, le signe – indiquant la charge de l'électron. Le symbole du positron est e+, puisqu'il a toutes les propriétés de l'électron, au signe de la charge près[66],[65].L'électron a un moment angulaire intrinsèque, ou spin, de ½[66]. Cette propriété est généralement exprimée en appelant l'électron « particule de spin ½ »[65]. Pour ce genre de particules, la valeur absolue du spin est ħ √3/2[note 1], tandis que le résultat

de la mesure de la projection du spin sur n'importe quel axe ne peut être que ±ħ/2. Outre le spin, l'électron possède un moment magnétique le long de son spin[66]. Il est approximativement égal à un magnéton de Bohr [ 70 ] ,[note 2], qui est une constante physique égale à 9,274 009 15(23)×10-

24 J/T[66]. L'orientation du spin par rapport au moment de l'électron définit la propriété des particules élémentaires connues sous le nome hélicité [ 71 ] .L'électron n'a pas de sous-composant connu[1],[72]. On le définit donc, ou on le suppose, comme une particule ponctuelle, avec une charge ponctuelle, sans dimension d'espace[40].L'observation d'un électron isolé dans un piège de Penning démontre que le rayon de cette particule est inférieur à 10-22 m[73]. Il y a bien pourtant une constante physique que l'on appelle « rayon classique de l'électron », dont la valeur bien plus grande est de 2,8179×10-15 m. Cependant cette terminologie provient d'un calcul simpliste qui ignore les effets de la mécanique quantique ; en fait le soi-disant rayon classique de l'électron n'a pas grand-chose à voir avec une structure fondamentale de l'électron[74],[note 3]. Néanmoins, ce rayon classique donne un ordre de grandeur des dimensions pour lesquelles l'électrodynamique quantique devient importante pour comprendre la structure et le comportement de l'électron, notamment par la renormalisation.On pense, sur des bases théoriques, que l'électron est stable : comme c'est la particule la plus légère de charge non-nulle, sa désintégration violerait la conservation de la charge électrique [ 75 ] . Expérimentalement, la limite inférieure pour la vie moyenne de l'électron est de 1,45×1034 s, à un niveau de confiance de 90%[76]. L'électron diffère en cela des autres leptons chargés, le muon et le tauon de courtes durées de vie.Propriétés quantiques[modifier]Comme toutes les

particules, les électrons peuvent aussi se manifester comme des ondes : particules dans un faisceau énergique, ondes stationnaires dans un atome. Ceci est appelé dualité onde-particule, et peut être démontré en utilisant l'expérience des fentes de Young, familière avec la lumière. La nature ondulatoire de l'électron lui permet de passer à travers deux fentes parallèles simultanément, plutôt que juste une seule fente, comme cela serait le cas pour une particule classique. En mécanique quantique quantique, la propriété ondulatoire d'une particule peut être décrite mathématiquement comme une fonction à valeurs complexes, la fonction d'onde, couramment dénotée par la lettre grecque psi (ψ). Quand la valeur absolue de cette fonction est élevée au carré, cela donne la probabilité d'observer une particule dans un petit volume auprès de la position choisie – une densité de probabilité [ 77 ]

Exemple d'une fonction d'onde antisymétrique pour un état quantique de deux fermions identiques dans une boîte à une dimension. Si les particules échangent leurs positions, la fonction d'onde change de signe. La fonction d'onde est ici

Les électrons sont des particules indiscernables, parce qu'ils ne peuvent pas être distingués l'un de l'autre par leur propriétés physiques intrinsèques. En mécanique quantique, ceci signifie qu'une paire d'électrons en présence doivent pouvoir intervertir leurs positions sans provoquer de changement observable dans l'état du système. La fonction d'onde des fermions,

notamment des électrons, est antisymétrique, c'est-à-dire qu'elle change de signe quand on échange deux électrons, c'est à dire : , où et sont les positions des deux électrons. Comme la valeur absolue ne change pas par changement de signe de la fonction, ceci indique que les probabilités sont les mêmes. Les bosons, comme les photons, ont, eux, des fonctions d'onde symétriques[77].Dans le cas de l'antisymétrie, les solutions de l'équation d'onde pour des électrons en interaction résulte en une probabilité nulle que deux électrons occupent la même position, ou le même état. C'est la cause du principe d'exclusion de Pauli, qui empêche deux électrons d'occuper le même état quantique. Ce principe explique bien des propriétés des électrons. Par exemple, il fait que des nuages d'électrons liés au même noyau occupent des orbitales toutes différentes, plutôt que de se concentrer tous sur l'orbitale la moins énergétique[77].Particules virtuelles[modifier]Article détaillé : Particule virtuelle.Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite[78]. La combinaison de la variation d'énergie nécessitée pour créer ces particules, et du temps pendant lequel elles existent reste en-dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg  : . Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, , peut être « empruntée » au vide pour une durée , dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ħ ≈ 6,6×10-16 eVs. Donc pour une paire électron-positron virtuelle, est au plus de 6,6×10-22 s[79].

Vue schématique de paires électron-positron virtuelles apparaissant au hasard près d'un électron (en bas à gauche)Tandis qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle polarisation du vide. En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale, et la charge diminue quand la distance à l'électron augmente[80],

[81]. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 en utilisant l'accélérateur de particules japonais TRISTAN [ 82 ] . Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron[83].L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1%) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal)[70],[84]. La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique [ 85 ] .En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe

apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement)[86] qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron[40],[87]. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb (Lamb shift) observé dans les raies spectrales[80].Interaction[modifier]Un électron engendre un champ électrique qui exerce une force attractive sur une particule positivement chargée, comme un proton, et une force répulsive sur une particule négative. La valeur de cette force est donnée par la Loi de Coulomb en carré inverse [ 88 ] . Quand un électron est en mouvement, il engendre aussi un champ magnétique [ 89 ] . La loi d'Ampère-Maxwell relie le champ magnétique au mouvement d'ensemble des électrons (le courant électrique) par rapport à un observateur. C'est cette propriété d'induction qui fournit l'induction magnétique qui fait tourner un moteur électrique [ 90 ] . Le champ électromagnétique d'une particule chargée animée d'un mouvement arbitraire est exprimé par les potentiels de Liénard–Wiechert, valables même quand la vitesse de la particule s'approche de celle de la lumière(relativiste).

Une particule de charge q part de la gauche à la vitesse v à travers un champ magnétique B orienté vers le lecteur. Pour un électron, q est négatif, et il

suit donc une trajectoire incurvée vers le haut.Quand un électron se déplace dans un champ magnétique, il est soumis à une force de Lorentz, dirigée perpendiculairement au plan défini par le champ et la vitesse de l'électron. Cette force perpendiculaire à la trajectoire contraint l'électron, dans un champ magnétique uniforme, à suivre une trajectoire hélicoïdale dans le champ, sur un cylindre de rayon appelé le rayon de Larmor. L'accélération due à ce mouvement en courbe conduit l'électron à rayonner de l'énergie sous forme de rayonnement synchrotron[91].,[92],[note 4]. L'émission d'énergie à son tour provoque un recul de l'électron, ce qui est connu sous le nom de force d'Abraham-Lorentz-Dirac, qui crée une friction qui ralentit l'électron. Cette force est provoquée par une réaction du propre champ de l'électron sur lui-même[93].En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Par contre, des photons virtuels peuvent tranférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb[94]. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage

(Bremsstrahlung en allemand)[95]. Ici, le bremsstrahlung est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E2 — E1 détermine la fréquence f du photon émis.Une collision élastique entre un photon (lumière) et un électron solitaire (libre) s'appelle diffusion Compton. Cette collision résulte en un transfert d'énergie et de moment entre les particules, qui modifie la longueur d'onde du photon par une quantité appelée décalage Compton [ note 5 ] . La valeur maximale de ce décalage est , que l'on désigne sous le nom de « longueur d'onde de Compton[96] ». Pour un électron, elle vaut 2,43×10-12 m[66]. Pour une grande longueur d'onde de la lumière (par exemple la longueur d'onde de la lumière visible est de 0,4–0,7 µm), le décalage de longueur d'onde devient négligeable. Une telle interaction entre la lumière et les électrons libres est appelée diffusion Thomson ou diffusion linéaire de Thomson[97].La force relative de l'interaction électromagnétique entre deux particules comme un électron et un proton est donnée par la constante de structure fine. C'est une quantité sans dimension formée par le rapport de deux énergies : l'énergie électrostatique d'attraction (ou de répulsion) à la distance d'une longueur d'onde de Compton, et l'énergie au repos de la charge. Elle

est donnée par α ≈ 7,297353×10-3, qui vaut approximativement 1/137[66].Quand des électrons et des positrons font des collisions, ils peuvent s'annihiler ensemble, donnant deux ou trois photons. Si l'électron et le positron ont un moment négligeable, il peut se former un positronium avant que l'annihilation se produise, donnant 2 ou 3 photons, dont l'énergie totale est 1,022 MeV[98],[99]. Par ailleurs, des photons de haute énergie peuvent se transformer en une paire d'électron et positron par un processus inverse de l'annihilation que l'on appelle production de paire, mais seulement en présence d'une particule chargée proche, comme un noyau, susceptible d'absorber le moment de recul[100],[101]En théorie des interactions électrofaibles, la composante gauche de la fonction d'onde de l'électron forme un doublet d'isospin faible avec le neutrino-électron. Ceci veut dire que pendant les interactions faibles, les neutrinos-électrons se comportent comme des électrons. Chaque membre de ce doublet peut subir une interaction par courant chargé transformant l'un en l'autre par émission/absorption de boson W±, cette transformation étant à la base de la désintégration β des noyaux. L'électron, comme le neutrino, peut subir une interaction par courant neutre couplé au Z0, ce qui est notamment la cause de la diffusion électron-neutrino[102].Atomes et molécules[modifier]Article

détaillé : Atome. Les densités de probabilité pour les quelque premières orbitales de l'atome d'hydrogène, dans le plan xOz. Le niveau d'énergie d'un électron lié détermine l'orbitale qu'il occupe, et la couleur reflète la probabilité de trouver l'électron à une position donnée.Un électron peut être « lié » au noyau d'un atome par la force de Coulomb attractive. Un système d'électrons liés à un noyau en nombre égal à la charge de ce dernier est appelé un atome. Si le nombre d'électrons est différent, le système s'appelle un ion. Le comportement ondulatoire d'un électron lié est décrit par une fonction appelée orbitale atomique. Chaque orbitale a son propre ensemble de nombres quantiques, tels que l'énergie, le moment angulaire, et la projection de ce dernier sur un axe donné (pris en général pour axe Oz). Il n'existe qu'un ensemble discret de ces nombres quantiques pour le noyau. Suivant le principe d'exclusion de Pauli, chaque orbitale ne peut être occupée au plus que par deux électrons, de spins différents en projection.Les électrons peuvent changer d'orbitale par émission ou absorption d'un photon dont l'énergie égale la différence d'énergie potentielle entre ces orbitales[103]D'autres méthodes de transfert d'orbitale comprennent les collisions avec des particules comme les électrons, et l'effet Auger [ 104 ] . Pour s'échapper d'un atome, l'énergie de l'électron doit être hissée au-dessus de son

énergie de liaison à l'atome. Ceci peut arriver dans l'effet photoélectrique, quand un photon incident a une énergie qui dépasse l'énergie d'ionisation de l'électron qui l'absorbe[105].Le moment angulaire orbital des électrons est quantifié. Comme l'électron est chargé, il produit un moment magnétique orbital proportionnel à son moment angulaire. Le moment magnétique total d'un atome est égal à la somme des moments magnétiques propres et orbitaux de tous les électrons, et du noyau. Celui du noyau, cependant, est négligeable par rapport à celui des électrons. Les moments magnétiques des électrons qui occupent la même orbitale (électrons en paire) s'annulent[106].La liaison chimique entre atomes résulte d'interactions électromagnétiques, décrites par les lois de la mécanique quantique[107]. Les liaisons les plus fortes sont les liaisons covalentes ou les liaisons ioniques, qui permettent la formation de molécules [ 63 ] . Dans une molécule, les électrons se déplacent sous l'influence de plusieurs noyaux, et occupent des orbitales moléculaires, de la même façon qu'ils occupent des orbitales dans des atomes isolés[108]. Un facteur fondamental dans ces structures moléculaires est l'existence de paires d'électrons : celles-ci sont des électrons de spins opposés, ce qui leur permet d'occuper la même orbitale moléculaire sans violer le principe d'exclusion de Pauli (de la même manière que dans les atomes). Les orbitales moléculaires différentes ont des distributions spatiales de densité d'électrons différentes. Par exemple, dans les paires liantes (c'est-à-dire les paires qui lient vraiment les atomes ensemble), on trouve des électrons avec une densité maximale dans un relativement petit volume entre les atomes. Au contraire, pour les paires non-liantes, les électrons sont distribués dans un grand volume autour des

noyaux[109]. C'est l'existence de paires liantes, où des électrons périphériques sont mis en commun par deux atomes voisins, qui caractérise la liaison covalente. La liaison ionique, elle, se caractérise par le fait qu'un atome possède un électron mal lié, parce que toutes les orbitales d'énergie inférieure sont occupées, par exemple un atome de sodium Na ; à côté, on trouve un atome qui possède encore une place libre dans sa dernière orbitale, et donc un électron qui s'y mettrait serait solidement lié, par exemple un atome de chlore Cl. Si l'on met au contact un atome de sodium et un atome de chlore, le sodium va perdre son électron mal lié, qui va se loger dans la place qui l'attend dans le chlore. On a donc alors un ion Na+ (cation) et un ion Cl- (anion), qui restent liés par attraction électrostatique. C'est la liaison ionique typique.Les réactions d'échange d'électrons sont fondamentales en chimie et sont désignées sous le nom de réactions d'oxydo-réduction. L'espèce chimique qui capte l'électron est l’oxydant, comme l'atome de chlore cité ci-dessus, l'autre est le réducteur, comme celui de

sodium.Conductivité[modifier] Un éclair de foudre consiste en premier lieu en un courant d'électrons[110]. Le potentiel électrique nécessaire pour la foudre peut être engendré par un effet triboélectrique[111],

[112].Si un corps a trop d'électrons, ou pas assez, pour équilibrer les charges positives des noyaux, cet objet a une

charge électrique statique totale non-nulle. S'il y a trop d'électrons, l'objet est chargé négativement. Dans le cas contraire, il est chargé positivement. Si les charges s'équilibrent, le corps est dit neutre. Un corps macroscopique peut développer une charge électrique par frottement, c'est l'effet triboélectrique [ 113 ] .Des électrons se déplaçant indépendamment dans le vide sont appelés électrons « libres ». Les électrons, dans les métaux, se comportent aussi comme s'ils étaient libres. De plus, il peut y avoir dans un solide des trous, qui sont des endroits où manque un électron. Ce trou peut être comblé par des électrons voisins, mais cela ne fera que déplacer le trou. On peut avoir dans des solides une prédominance de la conduction de l'électricité par le déplacement de trous, plutôt que par le déplacement d'électrons. En fait les particules porteuses de charge dans les métaux et autres solides sont des « quasi-particules » : des quasi-particules de charge électrique négative ou positive, semblables aux électrons réels[114]Quand les électrons libres se déplacent – que ce soit dans le vide ou dans un métal – ils produisent un courant de charges net, que l'on appelle courant électrique, qui engendre un champ magnétique. De même, un courant peut être engendré par un champ magnétique variable. Ces interaction sont décrites mathématiquement par les équations de Maxwell [ 115 ] .À température donnée, chaque matériau a une conductivité électrique qui détermine la valeur du courant électrique quand un potentiel électrique est appliqué. Des exemples de bons conducteurs comprennent des métaux comme le cuivre et l'or, tandis que le verre et le Teflon sont de mauvais conducteurs. Dans tout matériau diélectrique, les électrons restent liés à leurs atomes respectifs, et le matériau se comporte comme un isolant. La plupart des semi-

conducteurs ont un degré de conductivité variable entre les extrêmes du conducteur et de l'isolant[116]. Par ailleurs les métaux ont une structure en bandes électroniques qui contiennent des bandes élecroniques partiellement remplies. La présence de ce type de bandes permet aux électrons dans un métal de se comporter comme s'ils étaient libres ou délocalisés, c'est-à-dire non attachés à une molécule particulière. Quand un champ électrique est appliqué, ils peuvent se déplacer comme les molécules d'un gaz (appelé gaz de Fermi)[117] à travers la matière, un peu comme des électrons libres. Ces phénomènes sont à la base de toute l'électricité : électrocinétique, électronique, radioélectricité.En raison des collisions entre électrons et atomes, la vitesse de dérive des électrons dans un conducteur est de l'ordre du mm/s. Cependant la vitesse à laquelle un changement de courant en un point de la matière se répercute sur les courants en d'autres points, la célérité, est typiquement 75% de la vitesse de la lumière dans le vide[118]. Ceci se produit parce que les signaux électriques se propagent comme une onde, avec une vitesse qui ne dépend que de la constante diélectrique, ou permittivité[119] du milieu.Les métaux forment de relativement bons conducteurs de la chaleur, tout premièrement parce que les électrons délocalisés sont libres de transporter l'énergie thermique d'un atome à l'autre. Cependant, contrairement à la conductivité électrique, la conductivité thermique d'un métal est pratiquement indépendante de la température. Ceci s'exprime mathématiquement par la Loi de Wiedemann et Franz [ 117 ] , qui dit que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température. Comme le désordre thermique du réseau du métal accroît la résistivité du milieu, cela conduit à une

dépendance du courant électrique selon la température[120].Quand on les refroidit en-dessous d'une température critique, les matières peuvent subir une transition de phase, par laquelle ils perdent toute résistivité au courant électrique, phénomène appelé supraconductivité. Dans la théorie BCS, ce comportement est expliqué par des paires d'électrons (formant des bosons) qui entrent dans l'état connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Ces paires de Cooper voient leur mouvement couplé à la matière environnante par des vibrations du réseau nommées phonons, évitant ainsi les collisions avec les atomes qui normalement créent la résistance électrique[121]. (Les paires de Cooper ont un rayon d'environ 100 nm, si bien qu'elles peuvent se chevaucher.)[122]. Cependant, le mécanisme selon lequel fonctionnent les supraconducteurs à haute température reste à élucider.Dans les conducteurs solides, les électrons sont eux-mêmes des quasi-particules. Quand ils sont fortement confinés aux températures proches du zéro absolu, ils se comportent comme s'ils se décomposaient en deux autres quasi-particules : chargeon et spinon [ 123 ] . La première transporte le spin et le moment magnétique, la seconde la charge électrique.Mouvement et énergie[modifier]Selon la théorie d'Einstein de la relativité restreinte, quand la vitesse d'un électron se rapproche de la vitesse de la lumière, du point de vue d'un observateur, sa masse relativiste augmente, ce qui rend de plus en plus difficile de l'accélérer à partir du repère de l'observateur. Ainsi, la vitesse d'un électron peut s'approcher de la vitesse de la lumière dans le vide c, mais jamais l'atteindre. Si un électron relativiste, c'est-à-dire se déplaçant à une vitesse proche de c, est injecté dans un milieu diélectrique comme l'eau, où la vitesse de la lumière est

significativement inférieure à c, il va se déplacer plus vite que la lumière dans le milieu. Le déplacement de sa charge dans le milieu va produire une légère lumière appelée

rayonnement Tcherenkov [ 124 ] . Le facteur de Lorentz en fonction de la vitesse. Il part de l'unité et tend vers l'infini quand v tend vers c.Les effets de la relativité spéciale sont basés sur une quantité appelée facteur de Lorentz, défini comme , où v est la vitesse de la particule. L'énergie cinétique Ke d'un électron se déplaçant à la vitesse v est : où me est la masse de l'électron. Par exemple, l'accélérateur linéaire de SLAC peut accélérer un électron jusqu'à environ 51 GeV[125]. Ceci donne une valeur d'environ 100 000 pour γ, puisque la masse de l'électron est 0,51 MeV/c². Le moment relativiste d'un tel électron est 100 000 fois celui que la mécanique classique prédirait à un électron de cette vitesse[note

6].Comme un électron se comporte comme une onde, à une vitesse donnée, il a une longueur d'onde de de Broglie caractéristique. Elle est donnée par λe = h/p, où h est la constante de Planck et p le moment[41]. Pour l'électron de 51 GeV du SLAC, la longueur d'onde est environ 3,4×10-

17 m, assez petite pour explorer des structures bien plus petites que la taille d'un noyau atomique[126].Il s'est avéré dans les expériences de diffusion profondément inélastique (deep inelastic scattering), que les composants du noyau avaient en effet une sous-structure (« quarks » et

« gluons »), mais qu'à l'échelle de la longueur d'onde de de Broglie des électrons ainsi accélérés, il n'était plus possible de mettre en évidence de sous-structure ni des électrons, ni des quarks.Formation des électrons de l'univers[modifier]

Production d'une paire par collision d'un photon avec un noyau d'atome.Formation au Big Bang[modifier]La théorie du Big Bang est la théorie scientifique la plus largement acceptée pour expliquer les premiers stades de l'évolution de l'Univers[127]. Pendant la première milliseconde du Big Bang, les températures dépassaient 107 K, et les photons avaient des énergies moyennes supérieures à 1 MeV. Ils avaient donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d'électron-positron : où γ est le photon, e+ le positron et e- l'électron. Inversement, des paires électron-positron s'annihilent pour émettre des photons énergiques. Il y a donc pendant cette période un équilibre entre électrons, positrons et photons. Au bout de 15 secondes, la température de l'univers est tombée au-dessous de la valeur où la création de paire positron-électron peut avoir lieu. La plupart des électrons et des positrons survivants s'annihilent, relâchant des photons qui réchauffent l'univers pour un temps[128].Pour des raisons encore inconnues, pendant le processus de leptogénèse, il y a en fin de compte plus d'électrons que de positrons[129]. Il en résulte qu'un électron sur environ un milliard a survécu au processus d'annihilation. Cet excès a compensé l'excès des protons sur les antiprotons, dans le

processus appelé asymétrie baryonique, ce qui résulte en une charge nette nulle pour l'univers[130],[131]. Les protons et neutrons qui ont survécu ont commencé à réagir ensemble, dans un processus appelé nucléosynthèse primordiale, formant des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium, ainsi qu'un tout petit peu de lithium. Ce processus a culminé au bout de 5 minutes[132]. Tous les neutrons résiduels ont subi une désintégration β, avec une vie moyenne de mille secondes, relâchant un proton, un électron et un antineutrino, par le processus : où n est un neutron, p un proton et un antineutrino-électron. Pour la période allant jusqu'à 300 000–400 000 ans, les électrons restants restent trop énergiques pour se lier aux noyaux atomiques [ 133 ] . Ce qui suit est une période que l'on appelle la recombinaison, où les atomes neutres sont formés, et l'univers en expansion devient transparent au rayonnement[134].Formation dans les étoiles[modifier]Environ un million d'années après le big bang, la première génération d'étoiles commence à se former[134]. Dans une étoile, la nucléosynthèse stellaire aboutit à la production de positrons par fusion de noyaux atomiques et désintégration β+ des noyaux ainsi produits, qui transforme l'excès de protons en neutrons. Les positrons ainsi produits s'annihilent immédiatement avec les électrons, en produisant des rayons gamma. Le résultat net est une réduction constante du nombre d'électrons, et la conservation de la charge par un nombre égal de transformations de protons en neutrons. Cependant, le processus d'évolution des étoiles peut aboutir à la synthèse de noyaux lourds instables, qui à leur tour peuvent subir des désintégrations β-, ce qui recrée de nouveaux électrons[135]. Un exemple en est le nucléide cobalt 60 (60Co), qui se désintègre en nickel 60 (60Ni)[136].Au bout de sa vie,

une étoile plus lourde que 20 masses solaires peut subir un effondrement gravitationnel pour former un trou noir [ 137 ] . Selon la physique classique, ces objets stellaires massifs exercent une attraction gravitationnelle assez forte pour empêcher tout, même le rayonnement électromagnétique, de s'échapper du rayon de Schwarzschild. Cependant on pense que les effets quantiques peuvent permettre que du rayonnement de Hawking à cette distance. On pense ainsi que des électrons (et des positrons) sont créés à l'horizon (trou noir) de ces restes d'étoiles.Quand des paires de particules virtuelles – comme un électron et un positron – sont créées au voisinage de l'horizon, leur distribution spatiale aléatoire peut permettre à l'une d'entre elles apparaissent à l'extérieur : ce processus est nommé effet tunnel quantique. Le potentiel gravitationnel du trou noir peut alors fournir l'énergie qui transforme cette particule virtuelle en une particule réelle, ce qui lui permet de rayonner dans l'espace[138]. En échange, l'autre membre de la paire reçoit une énergie négative, ce qui résulte en une perte nette de masse-énergie du trou noir. Le rythme du rayonnement Hawking croît quand la masse décroît, ce qui finit par provoquer l'évaporation du trou noir et son explosion finale[139].Formation dans les rayons

cosmiques[modifier] Une grande gerbe dans l'air engendrée par un rayon cosmique énergique fappant l'atomsphère terrestre.Les rayons

cosmiques sont des particules se déplaçant dans l'espace avec de très grandes énergies. Des événements avec des énergies jusqu'à 3×1020 eV ont été observés[140]. Quand ces particules rencontrent des nucléons dans l'atmosphère terrestre, elles engendrent une gerbe de particules, comprenant des pions [ 141 ] . Plus de la moitié du rayonnement cosmique observé au niveau du sol consiste en muons. Le muon est un lepton produit dans la haute atmosphère par la désintégration d'un pion[142]. À son tour, le muon va se désintégrer pour former un électron ou un positron. Donc, pour le pion négatif π-,

où est un muon et un neutrino-mu.Observation[modifier]Les appareils de laboratoire usuels sont destinés à mesurer des différences de potentiel, des intensités de courant, des fréquences, avec de nombreuses spécialisations. Mais il est moins connu qu'ils sont aussi capables de contenir et d'observer des électrons individuels, ainsi que des plasmas d'électrons, tandis que des télescopes dédiés peuvent détecter les plasmas d'électrons dans le cosmos. Les électrons ont beaucoup d'applications, allant du soudage aux accélérateurs de particules en passant par les tubes cathodiques, les microscopes électroniques, la radiothérapie ou les lasers à

électrons libres. Les aurores polaires sont principalement provoquées par des électrons énergiques pénétrant dans l'atmosphère[143].L'observation à distance des électrons exige la détection de l'énergie qu'ils rayonnent. Par exemple, dans des environnements riches en énergie comme la couronne des étoiles, les

électrons libres forment un plasma qui rayonne de l'énergie par bremsstrahlung. Le gaz d'électrons peut subir une onde de plasma, qui consiste en ondes provoquées par des variations synchronisées de la densité d'électrons, ce qui provoque des émissions d'énergie détectables avec des radiotélescopes [ 144 ] .La fréquence d'un photon est proportionnelle à son énergie. Quand un électron passe d'un niveau d'énergie d'un atome à un autre, il absorbe ou émet un photon à une fréquence caractéristique. En fait, quand les atomes sont irradiés par une source à spectre large, des raies d'absorption apparaissent dans le spectre du rayonnement transmis. Chaque élément ou molécule montre un ensemble caractéristique de raies spectrales, comme le spectre d'absorption de l'hydrogène. Les mesures spectroscopiques de l'intensité et de la largeur de ces raies permet de déterminer la composition et les propriétés physiques d'une substance[145],[146].Dans les conditions de laboratoire, les interactions d'un seul électron peuvent être observées au moyen de détecteurs de particules, ce qui permet la mesure des propriétés spécifiques telles que l'énergie, le spin ou la charge[105]. La mise au point des pièges de Paul et de Penning permet de contenir des particules chargées dans un petit volume pour de grandes durées. Ceci permet des mesures précises des propriétés des particules. Dans une occasion, on a utilisé un piège de Penning pour contenir un électron unique pendant 10 mois[147]. Le moment magnétique de l'électron a été mesuré avec une précision de 11 chiffres significatifs, ce qui, en 1980, était une précision supérieure à la mesure de toute autre constante physique[148].Les premières images vidéo de la distribution en énergie d'un électron ont été capturées par un groupe de l'université de Lund en Suède, en février

2008. Les scientifiques ont utilisé des flashs très brefs de lumière (impulsions de 1 attoseconde, soit 10-18 s), qui ont permis pour la première fois d'observer le mouvement de l'électron[149],[150].La distribution des électrons dans les solides peut être visualisée par Spectrométrie photoélectronique UV analysée en angle (aussi connue sous le sigle anglais ARPES, pour angle resolved photoemission spectroscopy). Cette technique utilise l'effet photoélectrique pour mesurer le réseau réciproque – représentation mathématique des structures périodiques utilisée pour déduire la structure originelle. L'ARPES peut être utilisée pour déterminer la direction, la vitesse et les diffusions des électrons au sein du solide[151].Applications du plasma[modifier]Faisceaux de particules[modifier]

Pendant un test en soufflerie de la NASA, un modèle de la navette spatiale est visée par un faisceau d'électrons, simulant l'effet de gaz ionisants pendant la rentrée atmosphérique [ 152 ] .Les faisceaux d'électrons sont utilisés pour le soudage [ 153 ] , qui permet des densités d'énergie jusqu'à 107 W/cm² sur une tache étroite de 0,1 à 1,3 mm, et ce d'habitude sans métal d'apport. Cette technique de soudage doit être utilisée dans le vide pour éviter la diffusion du faisceau par le gaz avant son arrivée sur la cible. Elle peut aussi être utilisée pour souder des métaux très bons conducteurs de la chaleur, que l'on ne saurait pas souder autrement[154],[155].La lithographie à faisceau d'électrons est une méthode de gravure pour les semiconducteurs à une finesse meilleure

que le micron[156]. Cette technique est limitée par son coût élevé, sa lenteur, la nécessité de travailler sous vide et la tendance des électrons à diffuser dans le solide. Le dernier problème limite la finesse à environ 10 nm. Pour cette raison la lithographie par faisceau d'électrons est utilisée principalement pour la production d'un petit nombre de circuits intégrés spécialisés[157].Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour l'irradiation des matériaux pour changer leurs propriétés physiques ou stériliser des produits à usage médical ou alimentaire[158]. En radiothérapie, on fait des faisceaux d'électrons avec des accélérateurs linéaires pour le traitement des tumeurs superficielles. Comme un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, typiquement 5 cm pour des électrons dans la gamme de 5 à 20 MeV, la thérapie par faisceaux d'électrons est utile pour traiter des lésions de la peau comme le carcinome basocellulaire. Un faisceau d'électrons peut être utilisé pour compléter le traitement de zones qui ont été irradiées aux rayons X [ 159 ] ,[160].Article détaillé : Rayonnement synchrotron.Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et les positrons à haute énergie. Quand ces particules passent à travers des champs magnétiques, elles émettent un rayonnement synchrotron, qui peut être utilisé à des fins diverses.L'intensité de ce rayonnement dépend du spin, ce qui provoque une polarisation du faisceau d'électrons – un processus nommé effet Sokolov-Ternov (en) [ note 7 ] . Les faisceaux d'électrons polarisés peuvent être utiles pour diverses expériences, notamment celles qui ont trait aux propriétés liées au spin.Le rayonnement synchrotron peut aussi être utilisé pour ce que l'on appelle le « refroidissement » des faisceaux d'électrons, c'est à dire

pour diminuer les écarts moyens entre leurs énergies. (Cette expression est utilisée par analogie avec la définition de la température thermodynamique, par l'étalement moyen des énergies des constituants du système).Microscopie[modifier]La diffraction d'électrons de basse énergie est une méthode de bombardement d'un cristal avec un faisceau collimaté d'électrons, avec observation des structures de diffraction afin de déterminer la structure du cristal. L'énergie nécessaire pour les électrons est typiquement de l'ordre de 20 à 200 eV[161]. La technique RHEED utilise la réflexion d'un faisceau d'électrons, à angles faibles avec la surface, pour caractériser la surface de matériaux cristallins. L'énergie de faisceau est typiquement dans la gamme de 8 à 20 keV, et l'angle d'incidence entre 1 et 4°[162],[163].En lumière bleue, les microscopes optiques ont une résolution limitée par la diffraction d'environ 200 nm[164]. Par comparaison, les microscopes électroniques sont limités par la longueur d'onde de de Broglie de l'électron. Cette longueur d'onde, par exemple est 0,0037 nm pour des électrons accélérés par un potentiel de 100 000 V[165].Le microscope électronique dirige un faisceau d'électrons focalisé sur un spécimen. Pendant les interactions des électrons avec le spécimen, certains électrons changent de propriétés, comme leur direction de vol, leur angle, leur phase relative ou leur énergie. En enregistrant ces changements du faisceau, les microscopistes peuvent produire des images du spécimen à la résolution atomique[166].Articles détaillés : Microscopie électronique en transmission et Microscopie électronique à balayage.Il y a deux types principaux de microscopes électroniques : en transmission et à balayage.Le microscope électronique en transmission fonctionne avec un faisceau d'électrons passant à travers une couche de

matière, puis projeté agrandi sur un récepteur. L'aspect ondulatoire des électrons est largement utilisé au XXIe siècle dans certains modes d'utilisation. Corrigé d'aberrations, il est capable d'une résolution inférieure à 0,05 nm, ce qui suffit largement à résoudre des atomes individuels[167].Dans les microscopes à balayage, l'image est produite en balayant le spécimen avec un faisceau d'électrons focalisé finement, comme dans une télévision.Les grandissements vont de 100 fois à 1 000 000 de fois ou plus, pour les deux types de microscopes. Cette capacité fait du microscope électronique un instrument de laboratoire utile pour l'imagerie à haute résolution. Cependant les microscopes électroniques sont des instruments chers, tant à l'achat qu'à l'entretien.Article détaillé : Microsonde de Castaing.La microsonde de Castaing est une forme de microscope électronique à balayage, où l'on s'intéresse aux rayons X émis par l'échantillon sous l'impact du faisceau d'électrons. Une analyse spectrométrique de ce rayonnement permet de tracer une carte microscopique des concentrations d'éléments présents dans l'échantillon.Article détaillé : Microscope à effet tunnel.Le microscope à effet tunnel utilise l'effet tunnel des électrons entre une pointe de métal aiguë et le spécimen, et peut produire des images de sa surface avec la résolution d'un atome[168],[169],[170].Autres applications[modifier]Article détaillé : Laser à électrons libres.Le laser à électrons libres émet un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance dans un grand domaine de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous[171].Article détaillé : Tube cathodique.Les électrons sont au cœur des tubes à rayons cathodiques, que l'on a très largement utilisés comme systèmes de visualisation dans les instruments de laboratoire, les écrans

d'ordinateur et les postes de télévision [ 172 ] .Article détaillé : Photomultiplicateur.Dans un tube photomultiplicateur, chaque photon absorbé par la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable[173].Article détaillé : Tube électronique.Les tubes électroniques utilisaient le courant d'électrons pour manipuler des signaux électriques, et ils ont joué un rôle critique dans le développement de la technologie de l'électronique. Ils ont maintenant été largement supplantés par les dispositifs à semi-conducteurs, tels que les transistors [ 174 ] .Article détaillé : Capteur photographique.Les capteurs photographiques utilisent l’effet photoélectrique : les photons incidents produisent des électrons libres au sein d’une matrice de détecteurs qui sont par la suite comptés lors de la lecture du capteur. Les applications en imagerie sont diverses (astronomie, observation militaire, photographie, cinématographie) dans des gammes de longueur d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. Leur rendement et leur versatilité font qu’ils ont supplanté la plupart des usages de la pellicule photographique.FermionUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.Aller à : Navigation, rechercher Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes familles : les fermions et les bosons. Formellement, les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et les bosons obéissent à celle de Bose-Einstein. Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire 1/2, 3/2, 5/2, ...) : l'électron, le muon, le neutrino et les quarks sont des fermions.Les fermions se regroupent en deux familles :les leptons, qui ne sont pas soumis à l'interaction forte ;

1. les quarks, qui sont soumis à toutes les interactions de la nature.

Les autres fermions sont tous composés.

Sommaire

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1 Les leptons 2 Les quarks

3 Le principe d'exclusion de Pauli

4 Propriétés des fermions

5 Liens internes

Les leptons[modifier]

Article détaillé : Lepton.

Dans la famille des leptons, on connaît :

l'électron : cette particule stable est de masse 1836 fois moindre que celle du proton, et de charge négative -e ;

le muon : cette particule instable a la même charge que l'électron et est 210 fois plus massive que ce dernier. Laissé à lui-même, le muon se désintègre en 2,197×10-6 s par le biais de l'interaction faible, laissant à sa place un électron, un neutrino μ et un antineutrino ;

le tauon : cette particule très instable est de même charge que l'électron, tandis que sa masse lui est de 3500 fois supérieure. Il se désintègre en 2,8×10-13 s, laissant à sa place un neutrino τ et un antineutrino ;

le neutrino : le plus léger des fermions. Il n'a qu'une charge faible (alors que l'électron possède aussi une charge électrique). Il n'a presque aucune interaction avec la matière. Il existe trois types de neutrinos :

1. le neutrino μ (émis lors de la désintégration d'un muon) ;

2. le neutrino électronique e (émis lors de la désintégration β -transformation d'un neutron en proton) ;

3. le neutrino τ (émis lors de la désintégration du tauon).

En raison de leur faible masse (les neutrinos μ et τ ont une masse bien inférieure à celle de l'électron), ces trois types de neutrinos sont stables. Les neutrinos sont probablement les particules les plus abondantes de l'Univers.

Les quarks[modifier]

Article détaillé : Quark.

On compte six représentants de la famille des quarks : le quark down (d), le quark up (u), le quark strange (s) et trois autres, produits en laboratoire. Les quarks s'associent par triplets

pour former protons (u, u et d) et neutrons (d, d et u). Leur masse varie, mais est dans tous les cas bien supérieure à celle de l'électron. Ils possèdent une charge de couleur qui les soumet à l'interaction forte, la plus importante des interactions.

Le principe d'exclusion de Pauli[modifier]

Le principe d'exclusion de Pauli formulé en 1925 par Wolfgang Pauli interdit à deux fermions de se trouver au même endroit dans le même état quantique.

Ainsi dans l'atome, tous les électrons ont des nombres quantiques différents ; c'est également le cas dans tous les autres système de fermions.

Propriétés des fermions[modifier]

À l'échelle quantique, les fermions présentent une nature duale, c'est-à-dire qu'il peuvent se comporter comme des particules mais aussi comme des ondes.

À l'échelle macroscopique, les fermions apparaissent tous comme des particules : c'est le cas de l'électron, du muon et de tous les autres fermions.

On remarque également que tous les fermions ont une charge quelconque : le neutrino a une charge faible, l'électron a, en plus, une charge électrique et les quarks naturels (qui ne sont pas obtenus en laboratoire) ont à la fois des charges électrique et faible mais aussi une charge de couleur le soumettant à l'interaction forte.

Enfin, si les bosons peuvent être vecteurs d'interactions, ce n'est jamais le cas pour les fermions.

Tableau récapitulatif :

Fermions élémentaires Fermions composés

Quarks Leptons Nucléons Hypérons

Charge - 1/3 + 2/3 - 1 0 + 1 0 - 1 0 + 1

stable down up électronneutrino électronique

proton neutron

instable strangebeauty

charmedtop

muontauon

neutrino muoniqueneutrino taunique

Sigma -Ksi -Oméga -

Sigma 0Ksi 0Lambda 0

Sigma +

Lambda +

GluonUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Gluon

Propriétés générales

Classification Boson

Composition Élémentaire

Groupe Boson de jauge

Interaction(s) Forte

Propriétés physiques

Masse 0

Charge électrique 0

Spin 1

Durée de vie Stable

Historique

Prédiction Han, Nambu et Greenberg, 1965

Découverte 1979

Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble en les liant très fortement. Ils permettent ainsi l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres hadrons et donc de l'univers que nous connaissons.

Sommaire

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1 Caractéristiques de charge et masse des gluons 2 Pourquoi n'y a-t-il que 8 gluons au lieu de 9 ?

3 Preuve expérimentale

4 Origine des gluons

5 Voir aussi

o 5.1 Articles connexes

o 5.2 Liens externes

o 5.3 notes et références

Caractéristiques de charge et masse des gluons[modifier]

Leur masse est probablement nulle (quoiqu'il n'est pas exclu qu'ils puissent avoir une masse de quelques MeV)

Leur charge électrique est nulle

Ils ne possèdent qu'un spin 1.

Chaque gluon porte une charge de couleur (rouge, vert ou bleu, comme les quarks) et une anti-charge de couleur (comme les anti-quarks). Il y a 8 différentes sortes de gluons, en fonction de leur charge et de leur anti-charge de couleur.

Dans la théorie de la chromodynamique quantique (quantum chromodynamics, ou QCD), qui est utilisée aujourd'hui pour décrire l'interaction forte, les gluons sont échangés lorsque des particules possédant une charge de couleur interagissent. Lorsque deux quarks échangent un gluon, leur charge de couleur change ; le gluon se chargeant d'une anti-couleur compensant la perte du quark, de même que la nouvelle charge de couleur du quark. Étant donné que les gluons portent eux-mêmes une charge (et une anti-charge) de couleur, ils peuvent aussi interagir avec d'autres gluons, ce qui rend l'analyse mathématique de l'interaction forte très compliquée.

Pourquoi n'y a-t-il que 8 gluons au lieu de 9 ?[modifier]

A priori il pourrait y avoir 9 types de gluons, un pour chaque combinaison de charge et d'anti-charge de couleur (rouge, vert, bleue, et anti-rouge, anti-vert, anti-bleue), ce qui donnerait les gluons suivants :

.

En fait, du point de vue mathématique il existe un nombre infini de gluons, chacun pouvant être représenté par une combinaison linéaire des 9 états fondamentaux (aussi appelés états propres) listés ci-dessus. Par exemple, un gluon pourrait être représenté par l'état combiné

. Ce genre de combinaisons d'états est assez courant en mécanique quantique.

Cependant, la chromodynamique quantique nous apprend que la relation linéaire suivante lie 3 des états fondamentaux, du fait que les états complètement neutres du point de vue de la couleur n'interagissent pas par interaction forte :

Ceci implique alors que les 9 états fondamentaux cités plus haut ne sont plus tous indépendants. Cette relation réduit de 1 le nombre de degrés de liberté correspondants. Il n'y a plus que 8 degrés de liberté disponibles, donc 8 états fondamentaux linéairement indépendants, donc 8 gluons. Une explication plus détaillée (en anglais) peut être trouvée ici.

Preuve expérimentale[modifier]

La première trace expérimentale des gluons a été découverte en 1979 dans l'accélérateur de particules PETRA (collisions électron-positron) du laboratoire DESY à Hambourg, lorsque la preuve d'une collision à 3 jets fut faite : le troisième jet fut ainsi attribué à l'émission d'un gluon par un des quarks produits.

Origine des gluons[modifier]

Selon la théorie du Big Bang, l'Univers primordial était à une température et une pression telles que les quarks et les gluons devaient être totalement libres (« déconfinés »). Cet état est dit Plasma de Quarks et de Gluons (PQG), puis alors que ce plasma se refroidissait, les gluons ont confiné les quarks ensemble, ce qui permet l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres hadrons. Une expérience de Physique nucléaire et hadronique nommée ALICE vise à étudier ce plasma, pour mieux comprendre la ChromoDynamique Quantique. Ce plasma sera produit au LHC (Large Hadron Collider) du CERN, par collisions (collision nucléon-nucléon) d’ions lourds (de plomb) à très haute énergie. Ces collisions devraient produire une température plus de 100 000 fois supérieures à celle qui règne au coeur du Soleil ce qui devrait en quelque sorte faire "fondre" les protons et les neutrons de la matière, libérant les quarks de l’emprise des gluons et créant un état de la matière encore jamais observé ; le plasma de quarks et de gluons [1],[2].

Modèle standard (physique des particules)Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Pour les articles homonymes, voir Modèle standard.

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les interactions forte, faible et électromagnétique, ainsi que l'ensemble des particules élémentaires qui constituent la matière. La nécessité de cette théorie vient du fait de l'incapacité totale, en physique, de décrire correctement les phénomènes nucléaires, comme les désintégrations nucléaires.

C'est une représentation 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.

Le modèle standard possède 19 paramètres libres (dont 10 pour décrire les paramètres de masse des neutrinos) qui décrivent entre autres les masses des particules élémentaires ainsi que leurs différents couplages. La valeur de chacun de ces paramètres n'est pas fixée par des principes premiers mais doit être déterminée expérimentalement.

Sommaire

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1 Bref historique 2 Les particules ou quanta de matière

o 2.1 Première génération

o 2.2 Deuxième génération

o 2.3 Troisième génération

3 Les forces fondamentales de l'univers

4 Les particules ou quanta de champ

5 Défauts du modèle standard

o 5.1 Les trois familles de fermions

o 5.2 Les problèmes de jauges

6 Critiques

7 Notes et références

o 7.1 Notes

o 7.2 Références

8 Voir aussi

o 8.1 Liens externes

o 8.2 Bibliographie

Bref historique[modifier]

A la suite d'Ernest 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 firent la distinction entre particules (ou quanta) de matière et de champs. 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[modifier]

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.

Voici un tableau regroupant par génération les différents leptons et quarks. Pour ne pas surcharger ce tableau, les antiparticules n'y sont pas représentées.

Première génération[modifier]

Particule Notation Charge électrique Charge forte (*) Masse Spin

Électron e -1 511 keV/c2 1/2

Neutrino électronique

νe 0 < 2 eV/c2 1/2

Quark Up u 2/3 rouge, vert, bleu ~ 3 MeV/c2 1/2

Quark Down d -1/3 rouge, vert, bleu ~ 6 MeV/c2 1/2

Deuxième génération[modifier]

Particule Notation Charge électrique Charge forte (*) Masse Spin

Muon μ -1 106 MeV/c2 1/2

Neutrino mu νμ 0 < 2 eV/c2 1/2

Quark Charm c 2/3 rouge, vert, bleu ~ 1.3 GeV/c2 1/2

Quark Strange s -1/3 rouge, vert, bleu ~ 100 MeV/c2 1/2

Troisième génération[modifier]

Particule Notation Charge électrique Charge forte (*) Masse Spin

Tau τ -1 1,78 GeV/c2 1/2

Neutrino tau ντ 0 < 2 eV/c2 1/2

Quark Top t 2/3 rouge, vert, bleu 171 GeV/c2 1/2

Quark Bottom b -1/3 rouge, vert, bleu ~ 4.2 GeV/c2 1/2

(*): A la différence du cas de l'électrodynamique quantique les charges faibles et fortes ne sont pas des nombres à proprement parler mais des représentations des groupes SU(2) et SU(3) qui décrivent mathématiquement respectivement l'interaction faible et l'interaction forte. Ainsi par exemple désigne la représentation triviale ce qui signifie que la particule n'est pas chargée sous le groupe correspondant.

Les quarks ne peuvent exister isolément. Tous les hadrons dont la découverte a été confirmée (PDG2009) se présentent sous forme de paires quark-antiquark (les mésons), ou de trios de quarks (les baryons).

Les forces fondamentales de l'univers[modifier]

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 forte, qui s'exerce entre les quarks, et dont dérive la force nucléaire, 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[modifier]

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 coexister entre eux dans le même état quantique.

Les particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d'existence extrêmement brève 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 ».

Les différents bosons décrit par le modèle standard sont :

le photon « γ » (de spin 1 (plus précisement d'hélicité 1), de masse et charge nulles), médiateur de la force électromagnétique ;

3 bosons intermédiaires (de spin 1 et de masse élevée), dits aussi bosons faibles, médiateurs de la force faible : les bosons « W + » , « W − » et « Z0 » ;

8 gluons (de spin 1 (plus précisement d'hélicité 1) et de masse nulle), médiateurs de la force forte.

À ces particules, il faut ajouter un ou plusieurs bosons de Higgs (de spin 0, qui sont des champs scalaires), supposés conférer leur masse aux autres particules par un mécanisme de brisure spontanée de symétrie appelé dans ce cadre le mécanisme de Higgs. Ces bosons n'ont pas encore été officiellement détectés, bien que l'on soupçonne avoir aperçu leur trace dans certaines collisions observées au CERN. Leur existence sera en principe définitivement établie ou réfutée dans le cadre des nouvelles expériences mises en place au LHC qui a été mis en service le 10 septembre 2008.

Défauts du modèle standard[modifier]

Les trois familles de fermions[modifier]

Le modèle standard ne prédit pas pourquoi il existe trois générations de fermions portant les mêmes charges, mais dans des gammes de masse très différentes. La masse du quark u est de l'ordre du MeV.c-2[note 1] alors que celle du t est de l'ordre de 170 GeV.c-2. D'autre part, rien ne dit qu'il n'existe pas d'autres familles. En date de 2008, aucune théorie au-delà du modèle standard n'explique de manière précise l'existence de ces trois familles. L'unitarité de la matrice CKM est un test sensible de l'existence d'une autre génération de fermions.

Les problèmes de jauges[modifier]

Le lagrangien de jauge du modèle standard est composé de trois symétries internes aux particules U(1), SU(2) et SU(3). De la même façon que pour les familles de fermions, rien n'interdit l'existence de sous groupes de symétries. Ceci est d'ailleurs un sujet cher aux théories de grande unification, qui permettent en principe d'expliquer ces symétries en les incluant comme sous-groupes d'un groupe plus large que les trois premiers. Le groupe mathématique SU(5) aurait pu convenir et c'est sur lui que reposait la théorie de la Grande Unification (GUT en anglais). Mais cette symétrie de jauge compliquait le modèle standard en obligeant à postuler 24 bosons, et surtout, elle prédisait la désintégration des protons, qui n'a jamais été observée expérimentalement.

Critiques[modifier]

Selon Alain Connes, « personne ne pense que le modèle standard soit le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient[1]. »

NeutrinoUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Neutrinos

Propriétés générales

Classification Leptons

Composition élémentaires

Propriétés physiques

Masse• νe : < 2,5 eV.c-2

• νμ : < 170 keV.c-2

• ντ : < 18 MeV.c-2

Charge électrique 0

Spin ½

Durée de vie Stable

Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.

Longtemps sa masse fut supposée nulle. Toutefois, des expériences réalisées en 1998 au Super-Kamiokande ont montré que celle-ci, bien que très petite, est différente de zéro.

L’existence du neutrino a été postulée pour la première fois par Wolfgang Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta ainsi que l’apparente non-conservation du moment cinétique.

Sommaire

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1 Histoire 2 Caractéristiques physiques

o 2.1 Section efficace d'interaction

o 2.2 Masse

o 2.3 Naissance

3 Types de détecteurs de neutrinos

4 Expériences actuelles

5 Les télescopes à neutrinos

6 Les neutrinos au-delà du modèle standard

7 Notes et références

o 7.1 Notes

o 7.2 Références

8 Voir aussi

o 8.1 Bibliographie

o 8.2 Articles connexes

o 8.3 Liens externes

Histoire[modifier]

En 1930, confronté au problème du spectre en énergie de la désintégration β, Wolfgang Ernst Pauli invente le neutrino pour satisfaire le principe de conservation de l’énergie. Enrico Fermi lui donne le nom de neutrino en 1933 en l’incorporant dans sa théorie de l’interaction faible. Le neutrino est découvert expérimentalement en 1956, (c’est en fait l’antineutrino électronique, qui accompagne la formation d’un électron (conservation du nombre leptonique) lors de la transformation d’un neutron en proton) par Frederick Reines et Clyde Cowan auprès d’un réacteur nucléaire. En 1962, le neutrino muonique (νμ) est découvert à Brookhaven. En 1990, le LEP, au CERN, démontre qu’il n’y a que trois familles de neutrinos. Le neutrino tau (ντ) est découvert en 2000 dans l’expérience DONUT.

Caractéristiques physiques[modifier]

Les neutrinos sont des particules élémentaires appartenant aux leptons (fermions de spin ½). Il en existe donc trois saveurs, une pour chaque famille de leptons :

le neutrino électronique ou neutrino-électron νe, le neutrino muonique ou neutrino-muon νμ,

le neutrino tauique ou neutrino-tau ντ.

Ils sont appelés d’après le lepton qui leur est associé dans le modèle standard. Le neutrino a une charge nulle et son hélicité est gauche (le spin pointe dans la direction opposée au mouvement ; hélicité droite pour l’antineutrino) comme l’a démontré l’expérience de M. Goldhaber et ses collègues en 1958.

L’une des interrogations majeures au sujet du neutrino concerne la nature de la relation entre le neutrino et l’antineutrino :

si le neutrino est une particule de Dirac , comme le sont les autres fermions élémentaires du modèle standard, le neutrino et son antiparticule sont deux particules différentes ;

si le neutrino est une particule de Majorana , le neutrino et l’antineutrino sont une seule et même particule.

Cette nature implique un certain nombre de conséquences importantes, par exemple au niveau de l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers.

Section efficace d'interaction[modifier]

Les neutrinos ne possédant pas de charge électrique ni de couleur, ils interagissent uniquement par interaction faible (la gravité bien que présente est négligeable). Leur section efficace d’interaction (sa probabilité d’interagir) est donc très faible car il s’agit d’une force à courte portée.

La section efficace d’un neutrino de 1 GeV comparée à celle d’un électron et d’un proton de même énergie est approximativement dans le rapport 10 − 14 / 10 − 2 / 1. Sur 10 milliards de neutrinos de 1 Mev qui traversent la Terre, un seul va interagir avec les atomes constituant la Terre. Il faudrait une épaisseur d’une année-lumière de plomb pour arrêter la moitié des neutrinos de passage[1].

Les détecteurs de neutrinos contiennent donc typiquement des centaines de tonnes d’un matériau et sont construits de telle façon que quelques atomes par jour interagissent avec les neutrinos entrant. Dans une supernova qui s’effondre, la masse volumique dans le noyau devient suffisamment élevée (1014grammes/cm³) pour que les neutrinos produits puissent être retenus un bref moment.

Masse[modifier]

Dans le modèle standard minimal, les neutrinos n’ont pas de masse. Mais des expériences récentes, notamment celle de Super-Kamiokande en 1998 et celle menée à l’Observatoire de Neutrinos de Sudbury depuis 1999, ont montré que les neutrinos peuvent, par l’intermédiaire d’un phénomène appelé « oscillation du neutrino », se transformer continuellement d’une forme de saveur (électronique, muonique ou tauique) en une autre. Ce phénomène n’est possible que si les neutrinos possèdent une masse et que celle-ci est différente pour chaque saveur. La découverte de ce phénomène a permis de fournir une solution au problème des neutrinos solaires.

La masse des neutrinos est très faible, le plus lourd aurait une masse inférieure à 0,23 eV/c2 d’après les contraintes cosmologiques apportées par le satellite WMAP et les modèles cosmologiques actuels, combinées aux résultats des expériences d’oscillations.

Un autre problème en astrophysique qui concernait les neutrinos est celui de la matière sombre, la masse « manquante » de l’univers selon certaines théories. En effet, l’univers semble contenir beaucoup plus de matière que celle qui est détectable par le rayonnement qu’elle émet. Cette matière qui n’émet pas de lumière, d’où le terme matière sombre, est toutefois détectable par l’influence gravitationnelle qu’elle exerce sur la matière visible comme les étoiles et les galaxies, et, jusqu’à récemment, on pensait que si les neutrinos possédaient une masse ils pourraient peut-être constituer la matière sombre. Toutefois, selon les connaissances actuelles, la masse des neutrinos est bien trop petite pour qu'ils puissent contribuer à une fraction significative de l’hypothétique matière sombre.

Naissance[modifier]

D’après les connaissances actuelles, les premiers neutrinos seraient apparus il y a environ 13,7 milliards d’années, peu après la naissance de l’univers. Depuis, l’univers n’a cessé de s’étendre, de se refroidir et les neutrinos ont fait leur chemin. Théoriquement, ils forment aujourd’hui un fond de rayonnement cosmique de température égale à 1,9 kelvin. Les autres neutrinos que l’on trouve dans l’univers sont créés au cours de la vie des étoiles ou lors de l’explosion des supernovae.

La majeure partie de l’énergie dégagée lors de l’effondrement d’une supernova est rayonnée au loin sous la forme de neutrinos produits quand les protons et les électrons se combinent dans le noyau pour former des neutrons. Ces effondrements de supernova produisent d’immenses quantités de neutrinos. La première preuve expérimentale de ceci fut fournie en 1987, quand des neutrinos provenant de la supernova 1987a ont été détectés par les expériences japonaise et américaine Kamiokande et IMB.

Types de détecteurs de neutrinos[modifier]

Il y a plusieurs types de détecteurs de neutrinos. Leur principal point commun est d’être composé d’une grande quantité de matériel, étant donnée la faible section efficace d’interaction des neutrinos. Ils sont également généralement situés profondément sous terre ou sous la mer, afin de s’affranchir du bruit de fond occasionné par le rayonnement cosmique. On distingue notamment :

Les détecteurs au chlore furent les premiers employés et se composent d’un réservoir rempli de tétrachlorure de carbone (CCl4). Dans ces détecteurs, un neutrino convertit un atome de chlore en un atome d’argon. Le fluide doit être purgé périodiquement avec du gaz hélium qui enlève l’argon. L’hélium doit alors être refroidi pour le séparer de l’argon. Ces détecteurs avaient le désavantage majeur de ne pas déterminer la direction du neutrino entrant. C’est le détecteur au chlore de Homestake, dans le Dakota du Sud, contenant 520 tonnes de liquide, qui détecta la première fois le déficit des neutrinos provenant du Soleil et qui permit de découvrir le problème des neutrinos solaires.

Les détecteurs au gallium sont semblables aux détecteurs au chlore mais sont plus sensibles aux neutrinos de faible énergie. Dans ces détecteurs, un neutrino convertit le gallium en germanium qui peut alors être détecté chimiquement. Ce type de détecteur ne fournit pas non plus d’information sur la direction du neutrino.

Les détecteurs à eau ordinaire, ou détecteur Čerenkov, tels que Super-Kamiokande. Ils sont constitués d’un grand réservoir d’eau pure entouré par des détecteurs très sensibles à la lumière, des tubes photomultiplicateurs. Dans ces détecteurs, un neutrino transfère son énergie à un lepton chargé, qui se déplace alors plus rapidement que la lumière dans ce milieu[note 1], ce qui engendre, par effet Čerenkov, une production de lumière caractéristique permettant de remonter à la trajectoire initiale de la particule. Les avantages de ce type de détecteur sont de détecter à la fois la direction du neutrino, sa saveur et son énergie. Il autorise également un large volume de détection pour un coût minime, ce qui permet d’augmenter significativement le nombre de neutrinos détectés. C’est ce type de détecteur qui a enregistré le « sursaut » de neutrinos de la supernova 1987a.

Les détecteurs à eau lourde emploient trois types de réactions pour détecter les neutrinos : la même réaction que les détecteurs à eau légère, une réaction impliquant la collision d’un neutrino avec le neutron d’un noyau de deutérium, ce qui libère un électron, et une troisième réaction dans laquelle le neutrino casse un noyau de deutérium en proton et neutron sans lui-même changer de nature. Les résultats de ces réactions peuvent être détectés par des tubes photomultiplicateurs et des détecteurs de neutrons. Ce type de détecteur est en fonction dans l’observatoire de neutrinos de Sudbury.

Les détecteurs à liquide scintillant, tels ceux des expériences Double Chooz et Kamland, permettent de détecter des neutrinos d’énergie de l’ordre du MeV. Ils sont en général pour cette raison utilisés pour détecter les neutrinos en provenance de centrales nucléaires. Le liquide scintillant permet de détecter très précisément l’énergie du neutrino, mais ne donne pas d’information quant à sa direction.

Le détecteur à film photographique OPERA, installé dans le tunnel du Gran Sasso en Italie, détecte les neutrinos émis par un faisceau généré au CERN par une technique originale : des couches photographiques sont alternées avec des feuilles de plomb, afin de détecter l’oscillation du neutrino muonique en neutrino tauique. Le développement des films photographiques permet de reconstruire la topologie de l’interaction, afin d’identifier le tau issu de l’interaction du neutrino tauique.

Les détecteurs de double désintégration bêta : ils permettent de détecter le spectre de la double désintégration béta avec émission de 2 neutrinos, afin de chercher l’existence d’une

double désintégration bêta sans émission de neutrinos, ce qui prouverait que le neutrino et l’anti-neutrino sont une seule et même particule (neutrino de Majorana, par opposition au neutrino classique, de Dirac). Ils sont de deux types : calorimétrique tels GERDA et CUORE, ils détectent seulement l’énergie totale de la double désintégration bêta pour reconstruire fidèlement le spectre d’énergie ; trajectographe-calorimètre pour l’expérience NEMO3 et le projet SuperNEMO, qui détectent le spectre en énergie et la trajectoire des deux électrons afin de rejeter le plus de bruit de fond possible.

Expériences actuelles[modifier]

Différentes expériences de physique des particules cherchent à améliorer les connaissances sur les neutrinos, et en particulier sur leurs oscillations. Outre les neutrinos créés par les réactions nucléaires dans le Soleil et ceux venant de la désintégration bêta dans les centrales nucléaires, les physiciens étudient également des neutrinos créés dans les accélérateurs de particules (comme dans les expériences K2K et CNGS).

L’avantage de ce type d’expérience est de contrôler le flux et le moment où les particules sont envoyées. De plus, on connaît leur énergie et la distance qu’elles parcourent entre leur production et leur détection. On peut ainsi se placer aux extremums des oscillations où la mesure des paramètres d’oscillation est la plus précise.

Ainsi, le détecteur OPERA, installé dans le tunnel du Gran Sasso en Italie, cherche depuis 2006 à détecter les neutrinos tauiques issus de l’oscillation de neutrinos muoniques générés au CERN, à 732 km. Le 31 mai 2010, la collaboration OPERA a annoncé avoir mis en évidence avec une probabilité de 98 % un évènement de ce type, ce qui serait la première constatation d’une oscillation vers le neutrino tauique[2].

En 2010, plusieurs autres expériences devraient débuter :

T2K , situé au Japon, utilise un faisceau de neutrinos créé par l’accélérateur JPARC à Tokai. À la manière de son prédécesseur K2K, il détecte le flux de neutrinos par un ensemble d’appareils complémentaires à 280 m du point de création du faisceau, puis observe les neutrinos interagissant à 295 km de là dans Super-Kamiokande, le célèbre détecteur Čerenkov à eau. En mesurant l’apparition de neutrinos électroniques dans ce faisceau de neutrinos muoniques, il compléterait pour la première fois la matrice d’oscillation des neutrinos (cf. Oscillation de neutrinos).

Double CHOOZ, situé en France (Chooz, Ardennes), utilisera le réacteur nucléaire de Chooz afin d’en détecter les neutrinos électroniques. Un détecteur proche et un lointain permettront de mesurer la différence de flux et ainsi mesurer une disparition de ces neutrinos, disparition caractéristique du phénomène d’oscillation. L’objectif est donc similaire à celui de l’expérience T2K, mais par des méthodes complémentaires.

Mais les oscillations ne sont pas la seule préoccupation des scientifiques : l’expérience KATRIN, installée en Allemagne, cherche quant à elle à mesurer directement la masse du neutrino, par l’étude du spectre de désintégration bêta du tritium.

Les télescopes à neutrinos[modifier]

Article détaillé : Télescope à neutrinos.

Notre ciel a toujours été observé à l’aide des photons à des énergies très différentes allant des ondes radios aux rayons gamma. L’utilisation d’une autre particule pour observer le ciel permettrait d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Le neutrino est pour cela un parfait candidat :

il est stable et ne risque pas de se désintégrer au cours de son parcours ; il est neutre et n’est donc pas dévié par les champs magnétiques. Il est donc possible de

localiser approximativement la direction de sa source ;

il possède une très faible section efficace d’interaction et peut ainsi s’extirper des zones denses de l’univers comme les abords d’un trou noir ou le cœur des phénomènes cataclysmiques (il faut préciser que les photons que nous observons des objets célestes ne nous proviennent que de la surface des objets et non pas du cœur) ;

il n’interagit que par interaction faible et transporte ainsi des informations sur les phénomènes nucléaires des sources, contrairement au photon qui est issu de processus électromagnétiques.

Une nouvelle astronomie complémentaire est ainsi en train de se créer depuis une dizaine d’années.

Un des principes possibles pour un tel télescope est d’utiliser la Terre comme cible permettant d’arrêter les neutrinos astrophysiques. Lorsqu’un neutrino muonique traverse la Terre, il a une faible chance d’interagir et ainsi d’engendrer un muon. Ce muon, s’il a une énergie au-delà d’une centaine de GeV, est aligné avec le neutrino et se propage sur une dizaine de kilomètres dans la Terre. S’il a été créé dans la croûte terrestre, il va pouvoir sortir de la Terre et se propager dans la mer où seraient installés les télescopes à neutrinos. Ce muon allant plus vite que la vitesse de la lumière dans l’eau, il engendre de la lumière Čerenkov, l’équivalent pour la lumière du bang supersonique. Il s’agit d’un cône de lumière bleutée. Ce type de télescope à neutrinos est constitué d’un réseau tridimensionnel de détecteurs de photons (des photomultiplicateurs) qui permet de reconstruire le cône Čerenkov, et donc la trajectoire du muon et du neutrino incident, et ainsi la position de la source dans le ciel. La résolution angulaire actuelle est de l’ordre du degré.

Ces télescopes à neutrinos sont déployés dans un grand volume d’eau liquide ou de glace pour que la lumière émise par le muon soit perceptible. Des dimensions de l’ordre du kilomètre cube pour avoir une sensibilité suffisante aux faibles flux cosmiques. Ils doivent être placés sous des kilomètres d’eau pour, d’une part, être dans l’obscurité absolue, et, d’autre part, pour avoir un blindage aux rayons cosmiques qui constituent le bruit de fond principal de l’expérience.

Les télescopes à neutrinos, ces immenses volumes situés aux fonds des eaux et regardant sous nos pieds, constituent une étape majeure dans le développement de l’astrophysique des particules et devrait permettre de nouvelles découvertes en astrophysique, cosmologie, matière noire et oscillations de neutrinos. Sont actuellement en fonctionnement IceCube, en Antarctique, et Antares, dans la mer Méditerranée.

Les neutrinos au-delà du modèle standard[modifier]

Depuis que les spécialistes savent que les neutrinos ont une masse, les théoriciens ont développé de nombreuses théories dites « au-delà » du modèle standard afin d’expliquer cette masse. Un des modèles les plus prometteurs est le modèle du see-saw (« balançoire »). Dans ce modèle, des neutrinos de chiralité droite sont introduits (on étend donc le contenu en particules du modèle standard d’où l’appellation « au-delà ») que l’on suppose très massifs (bien au-delà de l’échelle électrofaible). Cette dernière hypothèse est justifiée par le fait que l’on ne les ait jamais observés jusqu’à présent et par des considérations de symétrie. Ainsi, on arrive à expliquer la faible masse des neutrinos gauches, ceux que l’on observe jusqu’à présent. Il existe en effet un lien très fort entre la masse des neutrinos gauches et celle des neutrinos droits : elles sont inversement proportionnelles. Donc plus les neutrinos droits sont lourds, plus les neutrinos gauches sont légers. Ce modèle considère les neutrinos comme des particules de Majorana, fait qui sera infirmé ou confirmé dans les prochaines années par l’expérience NEMO étudiant la double désintégration β sans neutrino. L’un des attraits de ce modèle est qu’il pourrait permettre d’expliquer l’asymétrie (plutôt dire dissymétrie puisqu’on parle de « brisure de symétrie », selon le langage de Prigogine) matière/antimatière de notre Univers. En effet, les spécialistes se demandent encore en 2010 pourquoi l’Univers contient (plutôt) de la matière, sans (presque aucune) antimatière. Des processus issus de la désintégration des neutrinos droits dans des périodes où l’Univers était très jeune permettent de comprendre ce phénomène. Les processus impliqués sont appelés la leptogénèse et la baryogénèse.

La géométrie non-commutative, dans le formalisme d’Alain Connes, permet de reformuler également de façon élégante la plupart des théories de jauge avec brisure spontanée de symétrie. Dans cette optique, R. Wulkenhaar s’est intéressé au modèle 141#141 de grande unification et a obtenu ainsi de manière naturelle le lagrangien de Yang-Mills couplé au champ de Higgs. Ce modèle, où tous les fermions font partie d’une même représentation irréductible, contient obligatoirement des neutrinos massifs. Une contrainte naturelle, provenant du formalisme utilisant la géométrie non-commutative, permet de fournir une prédiction pour la masse de ces particules.

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On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites « élémentaires » en ce qu'elles ne résultent pas de l'interaction d'autres particules plus « petites ». Un atome n'est pas une particule élémentaire car il est constitué d'électrons, de protons et de neutrons. Ces deux derniers, appelés du terme générique nucléons car formant le noyau atomique, ne sont pas non plus élémentaires car ils sont constitués de quarks. En revanche, électrons et quarks sont des particules élémentaires car ils ne sont constitués d'aucune autre particule.

On distingue les particules élémentaires qui ont un spin demi-entier et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et au principe d'exclusion de Pauli, et celles qui ont un spin entier et obéissent à la statistique de Bose-Einstein : les premières sont appelées fermions et constituent la matière baryonique, les secondes sont appelées bosons et constituent les champs de force — on parle plutôt d'interactions — hormis la gravitation, qu'on n'a pas encore réussi à intégrer au modèle.

Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en trois générations, c'est-à-dire en trois quadruplets de particules dont les termes correspondants sont de masse croissante d'une génération à la suivante. Seuls les fermions de la première génération (dont la masse est la plus faible) sont couramment observés et constituent la matière que nous connaissons ; les huit autres fermions ne s'observent que dans des conditions particulièrement énergétiques qui ne se rencontrent pas dans notre environnement usuel.

Sommaire

[masquer]

1 Le modèle standard

Leptons Quarks

Charge électrique 0 –1 e +2/3 e –1/3 e

Fermions de1 ère génération

νe

Neutrino électronique

eÉlectron

uQuark up

dQuark down

Fermions de2 ème génération

νµ

Neutrino muonique

µMuon

cQuark charm

sQuark

strange

Fermions de3 ème génération

ντ

Neutrino tauique

τTau

tQuark top

bQuark

bottom

Interactions FaibleÉlectro-

magnétiqueForte

Bosons de jauge Z 0

Boson ZW ±

Boson Wγ

Photong

Gluon

Particules élémentaires du modèle standard

2 Particules élémentaires du modèle standard

o 2.1 Fermions

2.1.1 Leptons

2.1.2 Quarks

o 2.2 Bosons

2.2.1 Bosons de jauge

2.2.2 Autres bosons

3 Les premières particules

4 Les accélérateurs de particules

o 4.1 L'antimatière

o 4.2 Les quarks

o 4.3 Les leptons

o 4.4 Les trois familles de particules élémentaires

o 4.5 Les bosons de jauge

o 4.6 Boson de Higgs

5 Au-delà du modèle standard

6 Notes et références

7 Voir aussi

o 7.1 Articles connexes

o 7.2 Liens externes

o 7.3 Bibliographie

Le modèle standard[modifier]

Article détaillé : Modèle standard (physique des particules).

Les premiers pas dans l'élaboration du modèle standard des particules élémentaires ont été faits en 1960 par le physicien américain Sheldon Glashow, prix Nobel de physique 1979, avec l'unification de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible en une interaction électrofaible au-dessus d'une énergie d'unification de l'ordre de 100 GeV. Puis, en 1967, l'Américain Steven Weinberg et le Pakistanais Abdus Salam ont intégré le mécanisme de Higgs (théorisé en 1964 par Peter Higgs) au modèle élaboré par Glashow pour lui donner sa forme actuelle, qui rend compte de la masse des particules ; ils ont reçu pour cela le prix Nobel de physique 1979, en même temps que Glashow. Enfin, le modèle standard a été finalisé par l'unification de la chromodynamique quantique avec l'interaction électrofaible,

afin d'y intégrer l'interaction forte rendant compte notamment de la liberté asymptotique ainsi que du confinement de couleur des quarks en hadrons dont la charge de couleur résultante est toujours « blanche » (d'où le qualificatif chromodynamique appliqué à cette théorie quantique des champs).

D'un point de vue mathématique, les théories quantiques des champs ont été formalisées dans le cadre de théories de jauge à l'aide de groupes de symétrie locale prenant la forme de groupes de Lie complexes sous-tendant chacun les symétries de jauge modélisées. Ainsi :

l'électrodynamique quantique a permis de décrire l'électromagnétisme dans le cadre d'une théorie de jauge abélienne avec le groupe unitaire U(1),

l'interaction faible a été décrite avec le groupe spécial unitaire SU(2),

l'interaction électrofaible l'a été avec le groupe de jauge SU(2)×U(1)

la chromodynamique quantique (interaction forte) l'a été avec le groupe SU(3)

enfin, le modèle standard a été élaboré avec le groupe de jauge SU(3)×SU(2)×U(1).

Particules élémentaires du modèle standard[modifier]

Fermions[modifier]

Les fermions sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin demi-entier et respectant le principe d'exclusion de Pauli en accord avec le théorème spin-statistique. Il existe douze fermions décrits par le modèle standard.

Leptons[modifier]

Parmi les douze fermions du modèle standard, six ne sont pas soumis à l'interaction forte et ne connaissent que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les leptons. L'interaction électromagnétique ne concerne que les particules portant une charge électrique, tandis que l'interaction faible agit sur tous les leptons, y compris électriquement neutres.

Chargeélectrique

0 –1 e ( e = 1,602176487×10-19 C )

Génération ParticuleSymbole /

antiparticuleMasse

(keV/c 2 )Particule

Symbole /antiparticule

Masse(keV/c 2 )

1ère Neutrino électronique

νe / νe < 0,0022 Électron e – / e + 511

2ème Neutrino muonique

νµ / νµ < 170 Muon µ – / µ + 105 700

3ème Neutrino tauique

ντ / ντ < 15 500 Tau τ – / τ + 1 777 000

Chaque lepton a son antilepton, de même masse, même spin, mais de charge électrique opposée, d'isospin faible opposé ou encore d'hélicité inverse (gauche pour les neutrinos, droite pour les antineutrinos) :

un antineutrino pour chaque saveur de neutrino le positon pour l'électron

l'antimuon pour le muon

l'antitau pour le tau

Quarks[modifier]

Synthèse additive des couleurs primaires.

Parmi les douze fermions du modèle standard, six seulement connaissent l'interaction forte au même titre que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les quarks.

L'interaction forte est responsable du confinement des quarks, à cause duquel il est impossible d'observer une particule élémentaire ou composée dont la charge de couleur résultante n'est pas « blanche ». Il existe en effet trois « couleurs » (appelées conventionnellement rouge, vert, bleu en référence aux couleurs primaires) et trois « anticouleurs » (appelées conventionnellement antirouge, antivert et antibleu) qui obéissent aux règles suivantes, rappelant la synthèse additive des couleurs primaires :

rouge + vert + bleu = blanc rouge + antirouge = blanc

vert + antivert = blanc

bleu + antibleu = blanc

Pour cette raison, les « anticouleurs » antirouge, antivert et antibleu sont généralement représentées respectivement en cyan, magenta et jaune.

Tout quark étant porteur d'une de ces trois charges de couleur (il n'existe pas de quark « blanc »), il doit nécessairement entrer en interaction avec ou bien un antiquark porteur de son anticouleur (ce qui donne un méson, qui est un boson composite), ou bien deux autres

quarks porteurs des deux autres charges de couleur dont la résultante à trois sera « blanche » (ce qui donne un baryon, qui est un fermion composite) : c'est l'interaction forte.

Chargeélectrique

+2/3 e –1/3 e

Génération ParticuleSymbole /

antiparticuleMasse

(keV/c 2 )Particule

Symbole /antiparticule

Masse(keV/c 2 )

1ère Quark up u / u1 500 – 3 300

Quark down d / d 3 500 – 6 000

2ème Quark charm c / c1 160 000 – 1 340 000

Quark strange

s / s 70 000 – 130 000

3ème Quark top t / t173 100 000 ± 1 300 000

Quark bottom

b / b 4 200 000+170000−70000

Bosons[modifier]

Les bosons sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin entier et étant régis par la statistique de Bose-Einstein : plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique, contrairement aux fermions.

Bosons de jauge[modifier]

Douze bosons de jauge sont vecteurs des trois interactions du modèle standard :

un photon, vecteur de l'interaction électromagnétique un boson Z et deux bosons W, vecteurs de l'interaction faible

huit gluons, vecteurs de l'interaction forte.

Le tableau ci-dessous résume leurs propriétés :

Boson Symbole SpinCharge

électrique (e)

Charge de couleur [ 1 ]

Masse (keV/c 2 ) InteractionSymétriede jauge

Boson Z Z 1 0 « 0 »[2] 91 187 600 ± 2 100

Faible SU(2)Boson

W

W –

1–1

« 0 »80 398 000 ±

25 000W + 1

Photon γ 1 0 « 0 » 0 Électromagnétique U(1)

Gluon g 1 0 ( rg + gr ) / √2 0 Forte SU(3)

( rb + br ) / √2

( gb + bg ) / √2

i ( gr – rg ) / √2

i ( br – rb ) / √2

i ( gb – bg ) / √2

( rr – bb ) / √2

( rr + bb – 2gg ) / √6

Chacun de ces bosons est son antiparticule, hormis les bosons W – et W + qui sont antiparticules l'un de l'autre.

Autres bosons[modifier]

À ces bosons de jauge du modèle standard s'ajoutent :

le boson de Higgs, qui demeurait inobservé en juin 2010 bien qu'il fasse partie du modèle standard ; le boson de Higgs est responsable de la masse des particules dans ce modèle, mais n'est vecteur d'aucune interaction : ce n'est donc pas un boson de jauge.

le graviton, introduit par les théories de gravité quantique, qui tentent d'intégrer la gravitation au modèle standard, et qui n'a également jamais été observé ; le graviton ne fait donc pas partie du modèle standard, mais serait un boson de jauge, vecteur de la gravitation.

Les premières particules[modifier]

Articles détaillés : Neutron, Proton et Électron.

Propriétés principales des premières particules identifiées[3]

Particule Masse Charge électrique

Neutron 1 u.m.a neutre

Proton 1 u.m.a e

Électron 1/2000 u.m.a. -e

L'idée voulant que la matière soit composée de constituants fondamentaux est très vieille. Les Grecs de l'antiquité, dont Démocrite, ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour faire référence à de tels constituants.

On crut déceler au XIXème siècle des éléments indissociables de la matière que l'on nomma donc atomes. Le XXème découvrit que ces "atomes" étaient eux-mêmes composés de plus petites particules : électron(s), proton(s) et neutron(s). Il fut décidé cependant de ne pas changer la terminologie existante et le paradoxe "briser un atome" devint courant. Il fut découvert que ces particules elles-mêmes pouvaient être vues comme assemblages d'objets plus petits, les quarks, assemblés toujours à plusieurs et de façons différentes.

On remarque que les protons et les neutrons ont des masses quasi-identiques. La valeur de l'unité de masse atomique (1 u.m.a.) est égale a 1 gramme divisé par le nombre d'Avogadro, si bien qu'une mole de nucléons pèse un gramme.

Les charges du proton et de l'électron sont exactement opposées, le neutron est exactement neutre électriquement. La charge élémentaire, e, vaut 1,6×10-19 C.

Les accélérateurs de particules[modifier]

Article détaillé : Accélérateur de particules.

Dans les années 1930, les scientifiques pensaient que les électrons, les protons et les neutrons étaient les plus petits objets en quoi la matière pouvait être divisée. On les désigna comme des « particules élémentaires » pensant qu'ils étaient indivisibles ; les nouveaux « atomes » selon le terme originel.

Pour étudier l'interaction des neutrons et des protons dans le noyau de l'atome, les physiciens construisirent des accélérateurs de particules. Dans un accélérateur, des particules sont accélérées par des champs électriques dans le but de les faire entrer en collision. L'énergie de ces collisions produit toutes sortes de particules qui sont ensuite détectées.

À l'aide des accélérateurs, il fallut quelques décennies pour réaliser qu'il y avait encore un autre niveau de structure à l'intérieur des protons et des neutrons. Ceux-ci étaient composés de sous-particules qu'on baptisa quarks. Les protons et les neutrons sont construits à partir de trois quarks chacun. Ces particules composites sont presque toujours représentées sous une forme parfaitement sphérique mais cette dernière représente seulement la région de l'espace au-delà de laquelle la nature composite de ces particules devient visible. Dans le modèle standard, proton et neutron n'ont pas de forme à proprement parler.

Jusqu'à maintenant, aucune sous-structure n'a été découverte aux quarks et aux électrons. Ce sont donc les nouvelles particules élémentaires.

Mais l'histoire ne s'arrête pas à ces quarks et aux électrons. L'observation de plusieurs centaines de particules différentes, composites et souvent instables, a permis aux physiciens de déduire l'existence d'un certain nombre d'autres particules élémentaires. La description des composants de base de la nature et de leurs interactions se trouve résumée dans une théorie physique appelée le « modèle standard » des particules.

L'antimatière[modifier]

Article détaillé : Antimatière.

À chaque particule correspond une antiparticule — c'est la symétrie CPT. Une particule est semblable à son antiparticule, avec des changements de signe. La charge électrique est opposée, c'est ce qui définit l'antiparticule. La masse est en revanche identique.

Une particule de charge nulle peut d'ailleurs être sa propre antiparticule ; c'est le cas du photon.

En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créer des anti-atomes. D'ailleurs, les physiciens se sont déjà appliqués à construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50 000 atomes) dans les laboratoires du CERN.

Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions entre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie et sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs.

On appelle antimatière l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière ordinaire.

L'antimatière a une durée de vie très courte dans notre environnement : à moins qu'elle ne soit isolée par des champs magnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihile alors.

La première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un positron (anti-électron) produit par la rencontre entre un rayon cosmique et un noyau atomique de l'atmosphère.

Les quarks[modifier]

Article détaillé : Quark.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centaines de particules pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement trois éléments. Gell-Mann choisit le nom « quarks » pour désigner ces éléments. Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegans Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques). Ce n'est qu'au début des années 70 que la réalité physique de ces quarks fut prouvée, et qu'ils accédèrent au rang de particules.

Nous savons maintenant qu'il y a six sortes ou saveurs de quarks. Ils furent joliment baptisés, par ordre de masses croissantes : up, down, strange, charm, bottom et top. De plus, pour chacun de ces quarks, il y a un antiquark correspondant.

Les quarks ont l'étrange propriété d'avoir une charge électrique fractionnaire. Cette charge est de 2/3 pour les quarks up, charm et top et de –1/3 pour les quarks down, strange et bottom.

Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent en paquets de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Par exemple, le proton est un hadron composé de deux quarks up et d'un quark down. Quant au neutron, il est formé de deux quarks down et d'un quark up. Cette propriété fait que les particules observées à l'état libre ont toutes une charge électrique entière ou nulle.

Les particules formées de quarks et d'antiquarks sont appelées hadrons. Elles se répartissent en deux classes :

les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p), les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark.

Les leptons[modifier]

Article détaillé : Lepton.

Les autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes, ou saveurs de leptons, dont trois ont une charge électrique négative et trois sont neutres. Mais, à la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. On ne sait pas en 2007 si des liens fondamentaux relient les 6 saveurs de leptons et celles de quarks.

Le lepton le plus connu est l'électron (e). Les deux autres leptons chargés sont le muon (μ) et le tau (τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos (ν). Il y a une saveur de neutrino associée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique (νe), un neutrino muonique (νμ) et un neutrino tauonique (ντ).

L'existence du neutrino électronique fut prédite par Wolfgang Pauli en 1932, mais ce n'est qu'en 1956 qu'il fut découvert. Entre temps, le muon fut observé (en 1936) dans les réactions entre l'atmosphère et les rayons cosmiques. Rien ne laissait présager son existence, à ce point qu'Isidor Isaac Rabi, un physicien des particules, accueillit la nouvelle en demandant : « Mais qui a commandé ce truc-là ? ». La surprise fit place à une recherche plus approfondie qui allait mener à la découverte des autres leptons.

Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ils n'interagissent presque pas avec la matière. Il faut construire des observatoires souterrains, loin de toute perturbation, pour pouvoir détecter quelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleil émet une énorme quantité de neutrinos. Des milliards de neutrinos solaires traversent votre corps à chaque seconde !

Les trois familles de particules élémentaires[modifier]

Toutes les particules élémentaires que nous avons vues jusqu'à maintenant sont appelées fermions. Les chercheurs ont réalisé que les fermions élémentaires pouvaient être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks, un lepton chargé et son neutrino. D'une famille à l'autre, les propriétés des particules sont semblables, à l'exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille.

La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l'électron et le νe. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange

ainsi que le muon et le νμ. Les quarks top et bottom, le tauon et le ντ forment la troisième famille.

Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules.

Les bosons de jauge[modifier]

Article détaillé : Boson de jauge.

« Comment tiennent-elles ensemble ? » La réponse résulte dans l'interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange de bosons de jauge, l'autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des « particules de rayonnement ».

Il y a 12 bosons de jauge dans le modèle standard : le photon, 8 gluons et 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence du graviton qui n'a pas encore été observé. Chaque boson de jauge est associé à une force :

le photon transmet la force électromagnétique, les gluons transmettent la force nucléaire forte,

les bosons faibles transmettent la force nucléaire faible,

le rôle du graviton est de transmettre la force gravitationnelle.

Le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Boson de Higgs[modifier]

Article détaillé : Boson de Higgs.

Le modèle standard prédit l'existence d'une particule très spéciale : le boson de Higgs.

À l'origine, la théorie du modèle standard considérait que toutes les particules élémentaires avaient une masse nulle. C'était évidemment non conforme à la réalité. Les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de plusieurs particules avec de bonnes précisions. Seuls le photon, les gluons et le graviton seraient de masse nulle.

Pour corriger le modèle, Peter Higgs proposa, vers la fin des années 1960, d'y ajouter une autre particule : un boson conférant les masses à toutes les autres particules.

L'idée de base est que les particules acquièrent une masse en interagissant avec le champ de Higgs porté par ce boson de Higgs. Ce mécanisme est maintenant considéré comme une partie essentielle du modèle standard et l'existence du boson de Higgs est capitale pour les théoriciens. D'ailleurs, le physicien Leon Lederman l'a surnommé « the God particule » (« la particule de Dieu »). Il n'y a qu'un seul problème : le boson de Higgs n'a encore jamais été détecté.

Au début du XXIe siècle, la détection du boson de Higgs est le défi actuel de la physique des particules. Le Large Hadron Collider (LHC) à Genève, en fonction depuis le 10 septembre 2008, devrait apporter une réponse définitive sur l'existence du boson de Higgs.

Au-delà du modèle standard[modifier]

Le modèle standard est une bonne théorie. Maintes expériences ont validé ses prédictions avec d'incroyables précisions et toutes les particules postulées ont été trouvées. Une théorie, d'après le philosophe Karl Popper, est considérée comme valide tant qu'elle n'a pas été réfutée. Le modèle standard résiste à toutes les réfutations expérimentales.

Cependant, cette théorie n'explique pas tout et plusieurs questions restent sans réponse. Par exemple : Pourquoi y a-t-il exactement 12 fermions et 4 forces ? Comment la gravitation peut-elle être incluse dans le modèle ? Les quarks et les leptons sont-ils réellement fondamentaux ou ont-ils une sous-structure (au-delà des 10-18 mètres) ? Quelles sont les particules qui forment la matière sombre dans l'Univers ?

Pour répondre à ces questions, les physiciens comptent sur la construction de nouveaux accélérateurs de particules pouvant sonder des énergies de plus en plus grandes (physique dite Terascale). Aussi, plusieurs théoriciens rêvent d'une nouvelle et ultime théorie pouvant unifier tous les phénomènes physiques. Plusieurs voient la solution dans la théorie des cordes qui stipule que toutes les particules élémentaires sont des modes de vibration d'une corde fondamentale. Cette corde existerait en 10 (1re théorie) , 11 (la théorie M), jusqu'à 26 dimensions (dans 2 des 5 théories pré théorie M), rien de moins.

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Photon

Photons émis dans le faisceau cohérent d’un laser

Propriétés générales

Classification Boson

Composition Élémentaire

Groupe Boson de jauge

Propriétés physiques

Masse0< 1 ×10−18 eV [ 1 ]

Charge électrique0< 1 ×10−35 e [ 1 ]

Spin 1

Durée de vieStable[1]

Non applicable[2]

Historique

Prédiction Albert Einstein, 1905-1917

Découverte Arthur Compton, 1923

Le photon est la particule qui compose les ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible. En physique des particules (où il est souvent symbolisé par la lettre γ — gamma), c'est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.

Le concept de photon a été développé par Albert Einstein entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière[3],[4],[5],[6]. Il a ainsi montré que parallèlement à son comportement ondulatoire — interférences et diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et la quantité de mouvement (pression de radiation) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.

Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l’optique quantique, la théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Le photon est une particule de spin égal à 1, c’est donc un boson [ 7 ] , et sa masse est nulle (dans la mesure des méthodes et connaissances actuelles, on ne peut cependant pas totalement affirmer que la masse du photon est nulle).

L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de 2 eV, soit environ 109 fois moins que l’énergie nécessaire pour créer un atome d’hydrogène. En conséquence, les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons[8], ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable

dans de nombreuses situations physiques. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :

transition électronique ; transition nucléaire ;

annihilation de paires particule-antiparticule.

Sommaire

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1 Historique o 1.1 Origine du terme « photon »

o 1.2 Développement de la notion de « quanta de lumière »

o 1.3 Objections à l’hypothèse des quanta de lumière

o 1.4 Prix Nobel en lien avec la notion de photon

2 Propriétés physiques

3 Modèles

o 3.1 Bille de lumière

o 3.2 Paquet d’onde

o 3.3 Dualité onde-corpuscule

4 Notes et références

5 Voir aussi

o 5.1 Articles connexes

o 5.2 Bibliographie

5.2.1 Ouvrages de vulgarisation

5.2.2 Ouvrages de référence

5.2.3 Sur le concept de « fonction d’onde » pour le photon

o 5.3 Liens externes

Historique[modifier]

Origine du terme « photon »[modifier]

Les photons ont originellement été appelés « quanta de lumière » (das Lichtquant) par Albert Einstein [ 3 ] . Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie lumière, φῶς, φωτός (translittéré phos, photos), et a été choisi en 1926 par le chimiste Gilbert N.

Lewis, dans la publication d’une théorie spéculative[9] dans laquelle les photons étaient « incréables et indestructibles ». Bien que la théorie de Lewis ne fut jamais acceptée, étant contredite par plusieurs expérimentations, son nouveau nom, photon, fut adopté immédiatement par la communauté scientifique.

En physique, un photon est représenté par le symbole , la lettre grecque gamma. L’utilisation de ce symbole pour le photon provient probablement des rayons gamma, qui furent découverts et nommés en 1900 par Paul Ulrich Villard [ 10 ] ,[11]. En 1914, Rutherford et Edward Andrade[12] démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En chimie et en optique, les photons sont habituellement symbolisés par , l’énergie du photon, où est la constante de Planck et la lettre grec (nu) est la fréquence du photon. À l’occasion, le photon peut être symbolisé par hf, où sa fréquence est identifiée par f.

Développement de la notion de « quanta de lumière »[modifier]

La description de la lumière a suivi au cours de l’histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu’au XVIIIe siècle, on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par René Descartes (1637)[13], Robert Hooke (1665)[14] et Christian Huygens (1678)[15], les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’Isaac Newton [ 16 ] . Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début du XIXe siècle, et en 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle[17] à la suite de l'expérience menée par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique[18], suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888[19], semblent porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir [ 20 ] sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta [ 21 ] ,[22].

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même[3]. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des

quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace[3]. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923[23]. En 1909[4] et en 1916[6], Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton [ 24 ] , ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Objections à l’hypothèse des quanta de lumière[modifier]

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit[25] :

« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes[26]. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique[26]).

L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens[23]. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques[27] :

L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière.

La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et

également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible"[28]. Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques[29]. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique[30],[31], de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Prix Nobel en lien avec la notion de photon[modifier]

Prix Nobel attribués en lien avec la notion de photon :

1918 : Max Planck "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta"[32]

1921 : Albert Einstein "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"[33]

1923 : Robert A. Millikan "for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect"[34]

1927 : Arthur H. Compton "for his discovery of the effect named after him"[35] (partagé avec Charles Thomson Rees Wilson)

1965 : Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard P. Feynman "for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles"[36]

2005 : Roy J. Glauber "for his contribution to the quantum theory of optical coherence"[37] (partagé avec John L. Hall et Theodor W. Hänsch)

Propriétés physiques[modifier]

Article connexe : Relativité restreinte.

Le photon n’a pas de charge électrique [ 38 ] , les expériences étant compatibles avec une charge électrique inférieure à 5×10-30 e[39] et ne se désintègre pas de façon spontanée dans le vide. Le photon est également sans masse : les expériences sont compatibles avec une masse inférieure à 6×10-17 eV/c²[39]. Un photon a deux états de polarisation possibles et est décrit par trois paramètres continus : les composantes de son vecteur d’onde, qui déterminent sa longueur d’onde λ et sa direction de propagation. Les photons sont émis à partir de plusieurs processus, par exemple lorsqu’une charge est accélérée, quand un atome ou un noyau saute d’un niveau d’énergie élevé à un niveau plus faible, ou quand une particule et son antiparticule s’annihilent. Des photons sont absorbés par le processus inverse, par exemple dans la production d’une particule et de son antiparticule ou dans les transitions atomiques et nucléaires vers des niveaux d’énergie élevés.

Un diagramme de Feynman de l’échange d’un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, ) entre un positron et un électron.

Le photon a une masse nulle. Pourtant, il semble exister un paradoxe concernant cette notion à l'égard du photon. Ainsi, selon l'équation (ou est la constante de Planck et la fréquence du rayon électromagnétique) qui permet de calculer l'énergie d'un photon, et selon l'équivalence entre l'énergie et la masse donnée par l'équation , on pourrait conclure a priori que le photon présente bien une masse non nulle. Selon cette idée, le photon ultraviolet étant plus énergétique que celui de la lumière visible il aurait ainsi une masse plus grande ! Mais l'équation ne s'applique que dans un référentiel où la particule est au repos. Comme le photon a la vitesse c (la vitesse de la lumière dans le vide) dans tous les

référentiels, il faut utiliser la forme plus générale de cette équation : , qui prend en compte la quantité de mouvement p. Cette équation admet une masse invariable nulle m = 0 à condition que E et p soient reliées par E = c•p, ce qui est bien le cas du photon ou de toute particule sans masse.

La lumière monochromatique de fréquence ν est constituée de photons d’énergie E dépendant uniquement de ν :

,

et de quantité de mouvement (ou impulsion) p :

,

où (constante de Dirac ou constante de Planck réduite), est le vecteur d’onde du

photon, d’amplitude et dirigé selon la direction de propagation du photon, et est sa fréquence angulaire. Comme pour les autres particules, un photon peut se

trouver dans un état dont l’énergie n’est pas bien définie, comme par exemple dans le cas d’un paquet d’onde. Dans ce cas, l’état du photon est décomposable en une superposition d’ondes monochromatiques de longueurs d’onde voisines (via une transformée de Fourier).

Le photon possède également un spin qui est indépendant de sa fréquence, et qui est égal à 1, ce qui autorise a priori trois valeurs pour sa projection : -1, 0 et 1. La valeur 0 est cependant interdite par la théorie quantique des champs, du fait de la masse nulle du photon.

L’amplitude du spin est et la composante mesurée dans la direction de propagation, appelée hélicité, doit être . Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles de polarisation circulaire du photon (horaire et anti-horaire). Comme en électromagnétisme classique, une polarisation linéaire correspond à une superposition de deux états d’hélicité opposée.

Une conséquence importante de ces formules est que l’annihilation d’une particule et de son antiparticule ne peut pas se faire sous la forme d’un seul photon. En effet, dans le référentiel du centre de masse, les particules entrant en collision n’ont pas de quantité de mouvement, alors qu’un seul photon a toujours une certaine quantité de mouvement. La loi de conservation de la quantité de mouvement nécessite donc qu’au moins deux photons soient créés, avec une quantité de mouvement nette nulle. L’énergie des deux photons peut être déterminée en respectant les lois de conservation. Le processus inverse, la création de paires, est le mécanisme dominant par lequel des photons de haute énergie (comme les rayons gamma) perdent leur énergie en passant à travers la matière.

Les formules classiques de l’énergie et de la quantité de mouvement des radiations électromagnétiques peuvent être ré-exprimés en termes d’événements reliés aux photons. Par exemple, la pression des radiations électromagnétiques sur un objet provient du transfert de quantité de mouvement des photons par unité de temps et de surface de cet objet.

Lorsqu’ils se déplacent dans la matière, les photons interagissent avec les charges électriques présentes dans le milieu pour donner lieu à de nouvelles quasiparticules ; ainsi, dans un diélectrique, une onde de polarisation coexiste avec l'onde électromagnétique pour donner une onde couplée dont la relation de dispersion est différente ; lorsque cette onde est quantifiée, on obtient des particules qui ne sont pas des photons, mais des polaritons, issus du couplage entre les photons et le champ de polarisation quantifié de la matière. Les polaritons se déplacent moins vite que les photons dans le vide ; schématiquement, on peut dire que le photon se déplace toujours à la même vitesse mais qu'il est absorbé et réémis (un peu plus tard) par les atomes de la matière, ce qui donne l’impression – macroscopiquement – que la lumière ralentit.

Modèles[modifier]

Bille de lumière[modifier]

La première image que l’on a du photon est la « bille de lumière », la lumière serait composée de grains qui voyageraient à 299   792   458   m/s (Vitesse de la lumière).

Dans ce modèle, un flux d’énergie lumineuse donné est décomposé en billes dont l’énergie dépend de la longueur d’onde λ et vaut h.c/λ. Ainsi, pour une lumière monochromatique (c’est-à-dire dont le spectre se résume à une seule longueur d’onde), le flux d’énergie est composé en beaucoup de « petites » billes si la longueur d’onde est grande (du côté du rouge), ou de peu de « grosses » billes si la longueur d’onde est petite (du côté du bleu) — les qualificatifs « petit » et « gros » ne sont pas relatifs à la taille des billes, mais à la quantité d’énergie qu’elles comportent.

Si la lumière est composée de plusieurs longueurs d’onde, alors le flux d’énergie se compose de billes de « grosseurs » diverses.

Cette vision, simpliste selon les normes actuelles, ne permet pas d’expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière.

Paquet d’onde[modifier]

le paquet d’onde, un modèle du photon : on a une onde monochromatique de longueur d’onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur finie.

On peut représenter au premier abord les photons par des paquets d’onde : l’onde électromagnétique n’est pas une sinusoïde d’extension infinie, il y a une enveloppe d’amplitude importante encadrée par d’autres enveloppes nettement moins significatives.

Ce modèle est insuffisant. En effet, dans une telle configuration, le photon devrait s’élargir au fur et à mesure de sa progression (on parle de l’« étalement du paquet d’onde »), l’énergie devrait être de moins en moins concentrée. Or, l'expérience montre que le photon ne s'étale pas dans l'espace, ni ne se divise en traversant un miroir semi-transparent, comme le ferait un paquet d'onde.

Dualité onde-corpuscule[modifier]

Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle

du dipôle vibrant. Le vecteur indique la direction de propagation de l'onde.

Le photon est un concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Comme pour les autres particules élémentaires, il a une dualité onde-particule. On ne peut parler de photon en tant que particule qu’au moment de l’interaction. En dehors de toute interaction, on ne sait pas — et on ne peut pas savoir — quelle « forme » a ce rayonnement. On peut imaginer que le photon serait une concentration qui ne se formerait qu’au moment de l’interaction, puis s’étalerait, et se reformerait au moment d’une autre interaction. On ne peut donc pas parler de « localisation » ni de « trajectoire » du photon.

On ne peut en fait voir le photon que comme une particule quantique, c’est-à-dire un objet mathématique défini par sa fonction d’onde qui donne la probabilité de présence. Attention à ne pas confondre cette fonction et l’onde électromagnétique classique.

Ainsi, l’onde électromagnétique, c’est-à-dire la valeur du champ électrique et du champ

magnétique en fonction de l’endroit et du moment ( et ), a donc deux significations :

macroscopique : lorsque le flux d’énergie est suffisamment important, ce sont les champs électrique et magnétique mesurés par un appareil macroscopique (par exemple antenne réceptrice, un électroscope ou une sonde de Hall) ;

microscopique : elle représente la probabilité de présence des photons, c’est-à-dire la probabilité qu’en un endroit donné il y ait une interaction quantifiée (c’est-à-dire d’une énergie hν déterminée).

Notes et références[modifier]

1. ↑ a, b et c C. Amsler et al. (Particle Data Group), « Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons », dans Physics Letters B, vol. 667, 2008 +2009 partial update, p. 1 [texte intégral [archive]]

2. ↑ Un photon se déplace à la vitesse de la lumière, et en conséquence dans son référentiel les durées sont nulles

3. ↑ a, b, c et d A Einstein, « Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light) », dans Annalen der Physik, vol. 17, 1905, p. 132–148 (de). Une version anglaise est disponible sur Wikisource.

4. ↑ a et b A Einstein, « Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation) », dans Physikalische Zeitschrift, vol. 10, 1909, p. 817–825 (de). Une version anglaise est disponible sur Wikisource.

5. ↑ A Einstein, « Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie », dans Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, vol. 18, 1916a, p. 318 (de)

6. ↑ a et b A Einstein, « Zur Quantentheorie der Strahlung », dans Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich, vol. 16, 1916b, p. 47. Voir également Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917) (de)

7. ↑ La matière quant à elle est constituée de fermions, comme, entre autres, les quarks dont sont faits les noyaux atomiques, et les électrons qui leur sont liés.

8. ↑ pour autant, il y a plus d’atomes dans l’eau qui coule d’un robinet pendant 1 seconde que de photons perçus par la rétine au cours de la même durée lors d’un clair de Lune

9. ↑ GN Lewis, « The conservation of photons », dans Nature, vol. 118, 1926, p. 874–875

10. ↑ P Villard, « Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium », dans Comptes Rendus, vol. 130, 1900, p. 1010–1012

11. ↑ P Villard, « Sur le rayonnement du radium », dans Comptes Rendus, vol. 130, 1900, p. 1178–1179 (fr)

12. ↑ E Rutherford, « The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B », dans Philosophical Magazine, vol. 27, 1914, p. 854–868

13. ↑ René Descartes, Discours de la méthode, 1637

14. ↑ Robert Hooke, Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon..., 1665 [' lire en ligne [archive]]

15. ↑ Christian Huygens, Traité de la lumiere, 1678

16. ↑ Isaac Newton, Opticks, Dover Publications, 1730, Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29 p.

17. ↑ Jed Z. Buchwald, The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century, University of Chicago Press, 1989

18. ↑ (en) James Clerk Maxwell, « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field », dans Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 155, 1865, p. 459-512 [[pdf]texte intégral] Cet article suit une présentation par Maxwell à la Royal Society le 8 décembre 1864.

19. ↑ H Hertz, « Über Strahlen elektrischer Kraft », dans Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), vol. 1888, 1888, p. 1297–1307 (de)

20. ↑ Wilhelm Wien Nobel Lecture [archive] du 11 décembre 1911.

21. ↑ M Planck, « Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum », dans Annalen der Physik, vol. 4, 1901, p. 553–563 (de)

22. ↑ Max Planck’s Nobel Lecture [archive] du 2 juin 1920.

23. ↑ a et b Robert A. Millikan’s Nobel Lecture [archive] du 23 mai 1924.

24. ↑ A Compton, « A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements [archive] », dans Physical Review, vol. 21, 1923, p. 483–502

25. ↑ Anton Zeilinger, « The quantum centennial », dans Nature, vol. 408, 2000, p. 639–641

26. ↑ a et b L. Mandel, « The case for and against semiclassical radiation theory », dans Progress in optics, vol. XIII, 2000, p. 27–68

27. ↑ N Bohr, « The Quantum Theory of Radiation », dans Philosophical Magazine, vol. 47, 1924, p. 785–802 Également dans Zeitschrift für Physik, 24, 69 (1924).

28. ↑ A Pais, Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press, 1982

29. ↑ Ces expériences produisent des corrélations qui ne peuvent être expliquées par une théorie classique de la lumière, puisqu’elles résultent du processus quantique de la mesure. En 1974, Clauser a montré une violation d’une inégalité de Cauchy-Schwarz classique (Phys. Rev. D 9:853). En 1977, Kimble et ses collaborateurs ont démontré un effet de dégroupement de photons à l’aide d’un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, alors qu’une approche classique montrerait un groupement des photons (Phys. Rev. Lett. 39:691). Cette approche a également été suivie par Grangier et ses

collaborateurs en 1986 (Europhys. Lett. 1:501). Voir également la discussion et les simplifications faites par Thorn et al., Am. J. Phys. 72:1210 (2004).

30. ↑ M Brune, « Quantum Rabi Oscillation: A Direct Test of Field Quantization in a Cavity », dans Phys. Rev. Lett., vol. 76, 1996, p. 1800–1803

31. ↑ S Gleyzes, « Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity », dans Nature, vol. 446, 2007, p. 297–300

32. ↑ En reconnaissance des services rendus pour l’avancement de la physique dans la découverte des quantas d’énergie, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 1918 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

33. ↑ Pour les services rendus à la physique théorique, spécialement pour la découverte de la loi de l’effet photoélectrique, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 1921 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

34. ↑ Pour son travail sur les charges électriques élémentaires et sur l’effet photoélectrique, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 1923 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

35. ↑ Pour la découverte de l'effet portant son nom, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 1927 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

36. ↑ Pour leur travail fondamental sur l'électrodynamique quantique, avec de profondes conséquences sur la physique des particules élémentaires, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 1965 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

37. ↑ Pour sa contribution à la théorie quantique de la cohérence optique, Fondation Nobel, « The Nobel Prize in Physics 2005 [archive] ». Consulté le 26 décembre 2007

38. ↑ V V Kobychev, « Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources », dans Astronomy Letters, vol. 31, 2005, p. 147–151 [lien DOI [archive]]

39. ↑ a et b [pdf] Particle Physics Booklet [archive]

Voir aussi[modifier]

Articles connexes[modifier]

Électrodynamique quantique Théorie quantique des champs

Optique

Phénomène optique

Lumière

Bibliographie[modifier]

Ouvrages de vulgarisation[modifier]

Richard Feynman ; Lumière & matière : une étrange histoire, InterEditions (1987), ISBN 2-7296-0154-6. Réédition en poche dans la collection Points Sciences 86, Le Seuil (1999), ISBN 2-02-014758-0.

Richard Kidd, James Ardini & Anatol Anton ; Evolution of the modern photon, American Journal of Physics 57 (1) (Janvier 1989), pp. 27-35.

Ouvrages de référence[modifier]

Claude Cohen-Tannoudji , Jacques Dupont-Roc & Gilbert Grynberg, Photons et atomes – Introduction à l'électrodynamique quantique, [détail des éditions].

Sur le concept de « fonction d’onde » pour le photon[modifier]

Iwo Bialynicki-Birula ; Photon wave function, Progress in Optics 36, Emil Wolf, Editor, Elsevier (1996). ArXiv : quant-ph/0508202.

Felix Bussières et Y. Soudagar ; Le problème de la localisation du photon, Séminaire donné dans le cadre du cours « Optique quantique », PHS 6201, École Polytechnique de Montréal (Avril 2006). lire en ligne[pdf].

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Quarks

Propriétés générales

Classification Fermions

Composition Élémentaire

Propriétés physiques

Masse

• u : 1,5 à 4,0 MeV.c-2

• d : 4 à 8 MeV.c-2

• s : 80 à 130 MeV.c-2

• c : 1,15 à 1,35 GeV.c-2

• b : 4,1 à 4,4 GeV.c-2

• t : 173 ± 3 GeV.c-2

Charge électrique

• u : +2/3 e : +1,07×10-19 C

• d : -1/3 e : -5,34×10-20 C• s : -1/3 e : -5,34×10-20 C• c : +2/3 e : +1,07×10-19 C• b : -1/3 e : -5,34×10-20 C• t : +2/3 e : +1,07×10-19 C

Spin 1/2

Durée de vie -

Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.

Sommaire

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1 Description 2 Propriétés

o 2.1 Parenthèse historique

3 Couleur

4 Génération

5 Particules composites, notion de hadron

6 Interaction des quarks, notion de gluon

o 6.1 Les gluons

7 Remarques

8 Notes et références

o 8.1 Notes

o 8.2 Références

9 Voir aussi

o 9.1 Articles connexes

o 9.2 Liens externes

Description[modifier]

La théorie des quarks a été formulée par le physicien Murray Gell-Mann, qui s'est vu décerner le prix Nobel de physique en 1969.

Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel de physique pour avoir découvert les quarks.

Le mot quark provient d'une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce : « Three Quarks for Muster Mark ! »

Propriétés[modifier]

Ces particules de spin 1/2 sont de six sortes, appelées saveurs, auxquelles on a donné des noms poétiques. Les noms anglais restent plus utilisés. Les quarks possèdent une charge électrique fractionnaire de la charge élémentaire :

Quark Nom anglais (français) Fraction de charge électrique élémentaire

d Down (Bas) -1/3

u Up (Haut) +2/3

s Strange (Étrange) -1/3

c Charm (Charme) +2/3

b Bottom, Beauty (Beau) -1/3

t Top, Truth (Vérité) +2/3

Parenthèse historique[modifier]

Originellement, les noms des quarks b (bottom, « tout en bas ») et t (top, « tout en haut »), ont été choisis par analogie avec ceux des quarks u (up, « vers le haut ») et d (down, « vers le bas »). Très rapidement, ces quarks ont cependant été renommés en beauty (« beauté ») et truth (« vérité »), noms qui sont devenus les standards. Cependant, l'absence de preuve expérimentale du quark t (mis en évidence seulement en 1994) relança le doute quant à la validité du modèle des quarks, et l'adage « the quark model has no truth » (« le modèle des quarks n'a pas de vérité/n'est pas vrai ») conduit à la raréfaction de l'utilisation du couple de termes beauty/truth en faveur des termes bottom/top initialement introduits[1]. Malgré l'existence avérée du quark t, l'usage actuel privilégie les noms bottom et top.

Couleur[modifier]

Les quarks possèdent également un autre nombre quantique que l'on a nommé charge de couleur. Un quark peut être[note 1] « rouge », « vert » ou « bleu », mais il peut changer de couleur en échangeant un gluon (voir plus bas).

À chaque quark correspond une antiparticule, nommée anti-quark, de même masse, mais de charge électrique opposée et de charge de couleur complémentaire, appelée anti-couleur[note 2] : un anti-quark peut ainsi être « anti-rouge », « anti-vert » ou « anti-bleu ».

La couleur ici est une analogie qui rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark seul. À cause du phénomène de confinement des quarks, on ne peut observer que des particules « blanches », c'est-à-dire formée par exemple de trois quarks de couleurs différentes : un rouge, un bleu et un vert (ce qui donne un baryon) — qui en synthèse additive des couleurs donnent une lumière blanche — , ou de deux quarks de couleurs complémentaires, comme rouge et anti-rouge (ce qui donne un méson).

La charge « de couleur » est la source de l'interaction nucléaire forte : l'interaction nucléaire entre les nucléons et plus généralement entre les hadrons est dérivée de l'interaction « de couleur ». Comme l'interaction entre atomes et entre molécules est elle-même dérivée de l'interaction électromagnétique entre protons et électrons.

Cette interaction « de couleur » est de type tripolaire, alors que l'interaction électromagnétique est dipolaire (+ et -). C'est ainsi que l'on a choisi de les nommer par rouge-vert-bleu, car comme la neutralité est la norme pour l'électromagnétisme, la résultante neutre « blanche » est la norme pour les particules constituées par cette interaction.

Génération[modifier]

À l'instar des leptons, les quarks du modèle standard peuvent être groupés par génération :

Génération Particule de charge fractionnaire -1/3 Particule de charge fractionnaire +2/3

1re génération Down Up

2e génération Strange Charmed

3e génération Bottom Top

La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (les neutrons (de charge électrique nulle) sont constitués de deux quarks Down et d'un quark Up, et les protons sont formés de deux quarks Up et d'un quark Down). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds, forment des particules toutes instables, et se désintègrent en quarks de première génération.

Particules composites, notion de hadron[modifier]

Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposé Gell-Man et Néman en 1964 par des considérations de symétrie liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par l'étude des diffusions profondément inélastiques d'électrons sur des nucléons, qui mit en évidence trois centres diffuseurs (Feynman en 1968). Les quarks ont cette caractéristique que l'on ne les observe jamais seuls. En effet, ils sont toujours groupés de telle sorte que :

Un proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down.

la somme de leurs charges électriques est un multiple entier de la charge élémentaire (en général 0, comme pour le neutron, et 1, pour le proton. On rappelle que l'électron n'est pas composé de quarks, mais est un lepton) ;

la somme de leurs charges de couleur est blanche (selon les règles de la synthèse additive des couleurs, c’est-à-dire composé de quarks des trois couleurs. Mais, il est aussi possible de trouver des paires quarks—anti-quarks, de couleurs complémentaires qui s'annulent).

Les quarks ne peuvent exister de manière isolée (phénomène de confinement) et s'assemblent ainsi en hadrons. Il en existe deux sortes principales, distinguées par leur nombre de quarks principaux, dits « quarks de valence » :

assemblage d'un quark et d'un anti-quark : les mésons, qui ont un spin entier et sont donc des bosons ;

assemblage de trois quarks des trois couleurs différentes : les baryons, qui ont un spin demi-entier et sont donc des fermions.

D'autres assemblages de quarks, tels les pentaquarks, formés de cinq quarks (deux paires Up-Down et un anti-Strange) ce qui désigne en fait quatre quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003[2] mais leur existence reste controversée[3].

En plus des quarks de valence, les hadrons sont composés d'une « mer » de paires quark-antiquark qui participent aux propriétés globales du hadron, et en particulier à sa masse.

Note : À l'extrême, on peut considérer que les étoiles étranges (étoiles à quarks) sont des assemblages macroscopiques de quarks (U ; D et S) liés par l'interaction de couleur, avant de l'être par la gravité comme ça l'est pour les étoiles à neutrons. Ces dernières ont une masse (théorique) minimale de 0,09 masse solaire [ 4 ] , alors que théoriquement les étoiles à quarks n'auraient pas de masse minimale. Les étoiles à quarks sont à la limite entre observation et théorie.

Ces associations de quarks ont été évoquées pour rendre compte de la matière sombre de l'Univers. Elles auraient été formées dans les premiers instants du Big Bang, mais leur conservation aurait été problématique de par les conditions régnant alors.

Interaction des quarks, notion de gluon[modifier]

Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique qui a une structure voisine, mais plus compliquée[note 3], de celle de l'électrodynamique quantique. La charge de couleur pour l'interaction forte joue alors un rôle analogue à celui de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique.

Le proton est un baryon constitué de deux quarks up et d'un seul quark down. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1.Le neutron est aussi un baryon composé de deux quarks down et d'un seul quark up. Sa charge électrique est de: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 soit 0. Il est donc neutre.

Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leur masse extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.

Les gluons[modifier]

Les médiateurs de l'interaction forte sont nommés gluons. À la différence de l'électrodynamique quantique dans laquelle les photons sont neutres électriquement, les gluons sont également colorés et interagissent donc entre eux. Ils sont au nombre de huit ce qui correspond à la dimension du groupe SU(3) utilisé pour décrire mathématiquement l'interaction forte.

Remarques[modifier]

Masses des quarks : les masses indiquées des quarks U et D sont uniquement issues de l'influence de l'hypothétique champ de Higgs. On prend également en compte l'influence du champ de gluons qui est responsable de près de 300 MeV.c-2 par quark, soit la quasi-totalité de la masse. En effet, quand on divise la masse d'un nucléon par trois (nombre de quarks) on

trouve bien ~300 MeV.c-2 ; et seulement 4 à 8 MeV.c-2 pour le quark D et 1,5 à 4 MeV.c-2 pour le quark U.

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La théorie quantique des champs (QFT)[1] fournit un cadre théorique pour la construction des modèles de la mécanique quantique des systèmes classiquement paramétrés (représenté) par un nombre infini de degrés dynamique libre, à savoir, les champs et (dans un contexte de matière condensée) les systèmes à corps multiples. C'est la nature et le langage quantitatif des particules physiques et des problèmes condensés physique. La plupart des théories dans la physique moderne des particules, incluant le Modèle Standard des particules élémentaires et leurs interactions, sont considérées comme les théories du champ quantique relativiste. Les théories du champ quantique sont utilisées dans plusieurs contextes, la physique des particules élémentaires est l'exemple le plus vitale, ici le nombre de particules entrantes fluctue et change, diffère du nombre sortant, par exemple, et pour la description du phénomène critique et les transitions de la phase quantique, comme dans la théorie de la super-conductivité, voit seulement la phase de transition, la phase de transition quantique, le phénomène critique. La théorie quantique des champs, est considérée par beaucoup comme l'issue unique et correcte de combiner les règles de la mécanique quantique avec la relativité restreinte.Dans la théorie des champs quantique perturbatif, les forces entre les particules sont jugulées par les autres particules. La force électromagnétique entre deux électrons est causée par un échange de photons. Les bosons intermédiaires compensent la force faible et les gluons celle de la force forte. Il n'y a pas actuellement de théorie quantique complète de la force fondamentale résiduelle, la gravité, mais beaucoup de théories revendiquent l'existence d'une particule appelée graviton qui compenserait cela. Ces forces portant les particules sont des particules virtuelles et, par définition, ne peuvent pas être détectées lors de sa manifestation, car une telle détection impliquerait sa non existence. De plus, la notion de "la particule médiatrice d'une force" provient de la théorie de perturbation, et ainsi n'a pas de sens dans un contexte d'états liés.Les photons QFT ne sont pas considérés comme des « petites boules de billard » ils sont considérés comme des champs quantique – nécessairement coupés en ondulations dans un champ, ou des « excitations », qui 'ressemblent' à des particules. Le Fermions, comme l'électron, peut seulement être décrit comme des ondulations/excitations dans un champ, quand chaque sorte de fermion a son propre champ. En résumé, la visualisation classique de « tout est particules et champ », dans la théorie quantique des champs, se transforme en « tout est particules », puis « tout est champs ». à la fin, les particules sont considérées comme des

états excités d'un champ (champ quantique). Le champ gravitationnel et le champ électromagnétique sont les deux seuls champs fondamentaux dans la Nature qui ont une infinité de gamme et une correspondance à la limite classique de l'énergie faible, qui diminue fortement et cache les excitations des « particules ressemblantes ». Albert Einstein, en 1905, attribue la « particule ressemblante » et les échanges discret d'un momenta et d'une énergie, la caractéristique d'un « champ quantique », au champ électromagnétique. Initialement, sa principale motivation était d'expliquer les radiations thermodynamique. Bien qu'il est souvent revendiqué que la photo-électrique et les effets de Compton nécessitent une description quantique du champ EM, cela est maintenant reconnue comme faux, et pour preuve il en est que la nature de la radiation quantique est désormais prise en optique quantique moderne comme l'effet de dégroupement. Le mot « photon » a été inventé en 1926 par un grand physicien chimiste Gilbert Newton Lewis (voir aussi les articles le dégroupement du photon et le laser).La description de la « limite énergie faible » correcte d'un champ théorique quantique d'un champ électromagnétique, appelé électrodynamique quantique, est attribué à la théorie de James Clerk Maxwell développée en 1864, bien que la « limite classique » de l'électrodynamique quantique n'a pas été aussi largement explorée que la mécanique quantique. Vraisemblablement, là encore inconnue , le traitement quantique des champs théoriques du champ gravitationnel deviendra et «  ressemblera exactement » à la théorie de la relativité générale dans la « limite énergie faible ». En effet, la théorie des champs quantique elle-même est probablement la théorie du champ de l'énergie faible limite à une théorie plus fondamentale telle que la théorie des super-cordes. Comparer dans ce contexte l'article de la théorie des champs effectifs.

Sommaire

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1 Historique 2 Champs quantiques

o 2.1 Notion de champ quantique

o 2.2 Localisation

3 Notes et références

4 Bibliographie

o 4.1 Textes en français

o 4.2 Textes en anglais

o 4.3 Articles connexes

Historique[modifier]Article détaillé : Histoire de la théorie quantique des champs.La théorie des champs quantique prend ses origines dans les années 1920 provenant du problème de la création d'une théorie mécanique quantique d'un champ électromagnétique. En 1925,

Werner Heisenberg, Max Born et Pascual Jordan construisent cette théorie en exprimant les degrés internes du champ libre comme une infinité d'ensemble d'oscillateurs harmoniques et en employant la procédure canonique de quantification de ces oscillateurs. Cette théorie suppose que les courants ou les charges électriques ne sont pas présents, aujourd'hui on appellerait cette théorie, la théorie du champ libre. La première théorie assez complète de l'électrodynamique quantique, qui inclue à la fois le champ électrodynamique et la matière électriquement chargée (spécifiquement, les électrons) comme objets mécanique quantique, a été créée par Paul Dirac en 1927. Cette théorie des champs quantique peut être utilisée pour modéliser des processus important tel que l'émission de photon par un électron tombant dans un état quantique d'énergie faible, un processus dans lequel le nombre de particules changes – un atome dans un état initial un atome plus un photon dans un état final. Il est maintenant connu que la possibilité de décrire un tel processus est l'une des caractéristique la plus importante de la théorie des champs quantique.Il était évident depuis le début que le bon traitement quantique du champ électromagnétique devait en quelque sorte intégrer la théorie de la relativité d'Einstein, qui avait grandie sur l'étude de l'électromagnétisme classique. Cela doit être mis ensemble, la relativité et la mécanique quantique était la seconde motivation majeur dans le développement de la théorie des champs quantique. Pascual Jordan et Wolfgang Pauli montrèrent en 1928 que les champs quantique pouvaient être amenés à se comporter de la façon prédite par la relativité restreinte au cours des transformations coordonnées (spécifiquement, ils montrent que les champs commutateurs étaient invariant de

Lorentz).Un nouvel élan pour la théorie des champs quantique est venu avec la découverte de l'équation de Dirac, qui était initialement formulée et interprétée comme une équation à une inconnue analogue à l'équation de Shrödinger, mais contrairement à l'équation de Shrödinger, l'équation de Dirac satisfait à la fois l'invariance de Lorentz, (les exigences de la relativité restreinte), et les règles de la mécanique quantique. L'équation de Dirac a intégré la valeur de la rotation d'un demi électron et a représenté son moment magnétique ainsi que de donner des prévisions précises pour le spectre de l'hydrogène. La tentation de l'interprétation de l'équation de Dirac comme une équation à une seule inconnue ne pourrait pas tenir longtemps, cependant, et finalement il a été montré que plusieurs de ses propriétés indésirables (comme un état négatif de l'énergie) pourrait prendre sens en remodelant et en réinterprétant l'équation de Dirac comme un vrai champ d'équation, dans ce cas pour le « champ Dirac » quantifié ou le « champ électron », avec la « solution d'une énergie négative » montrant l'existence des anti-particules. Ce travail a été effectué par Dirac lui-même avec l'invention de la théorie des trous en 1930 et par Wendell Furry, Robert Oppenheimer, Vladimir Fock, et les autres. Shrödinger, durant la même période a découvert sa fameuse équation en 1926, aussi il a trouvé indépendamment la généralisation de la relativité de celle-ci connue comme l'équation de Klein-Gordon mais l'a rejetée depuis, sans rotation, elle prédisais des propriétés impossibles pour le spectre de l'hydrogène (Voir Oskar Klein et Walter Gordon). Toutes les équations d'onde relativiste qui décrivent une rotation-zéro de particules sont dites de type Klein-Gordon.Les études des physiciens Viktor

Ambartsumian et de Dmitri Ivanenko sont d'une grande importance, en particulier les hypothèses d' Ambarzumian-Ivanenko sur la création massive de particules (publiées en 1930) qui est la pierre d'angle de la théorie des champs quantique contemporaine. L'idée est que non seulement les quanta du champ électromagnétique, les photons, mais aussi d'autres particules (incluant les particules ayant une masse non nulle au repos) peuvent naître et disparaître résultant de leurs interactions avec d'autres particules. Cette idée de Ambartsumian et Ivanenko a formée la base de la théorie des champs quantique moderne et la théorie des particules élémentaires.Une analyse subtile et attentive en 1933 et plus tard en 1950 effectuée par Niels Bohr et Leon Rosenfeld montre que il y a une limitation fondamentale sur la capacité de mesurer simultanément les intensités de champs électriques et magnétiques qui entrent dans la description des charges en interaction avec le rayonnement, imposée par un principe d'incertitude, qui doit s'appliquer à toutes les grandeurs conjuguées canoniquement. Cette limitation est cruciale pour le sucés de la formulation et de l'interprétation de la théorie des champs quantique des photons et des électrons (électrodynamique quantique), et même, toute la théorie des champs quantique perturbatifs. L'analyse de Bohr et de Rosenfeld explique les fluctuations dans les valeurs du champ électromagnétique qui diffère des valeurs classiquement « admises » distantes des sources du champ. Leurs analyse était cruciale pour montrer que les limitations et les implications physique du principe d'incertitude s'applique à tous les systèmes dynamiques, autant qu'aux champs qu'aux particules. Leurs analyse a aussi convaincue beaucoup de personnes que toute

possibilité d'une description fondamentale de la nature basée sur la théorie classique des champs, tel qu'Einstein a visé dans ses nombreuses tentatives et n'est pas arriver à une théorie du champ unifié classique, était tout simplement hors de question.La troisième étape dans le développement de la théorie des champs quantique a été la nécessité de manipuler les statistiques des systèmes à plusieurs particules de façon cohérente et avec facilité. En 1927, Jordan, a essayé d'étendre la quantification canonique des champs aux fonctions d'ondes à plusieurs corps des particules identiques, une procédure qui est parfois appelé quantification secondaire. En 1928, Jordan et Eugene Wigner ont trouvé que le champ quantique décrivant les électrons, ou les autres fermions, devait être étendu en utilisant la création des anti-navettes et des opérateurs d'annihilation dû au principe de l'exclusion de Pauli. Cette étape du développement a été incorporée dans la théorie des corps multiples et a influencée fortement la physique des matière condensée et la physique nucléaire.Malgré les premiers sucés, la théorie des champs quantique a souffert de plusieurs difficultés théoriques graves. Les quantités physique de base, tel que l'indépendance énergétique de l'électron, le changement d'énergie des états des électrons dû à la présence du champ électromagnétique, a donné d'infinie, contributions divergentes—un résultat absurde — lorsqu'il est calculé en utilisant les techniques perturbatives disponibles dans les années 1930 et dans la plupart des années 1940. Le problème de l'indépendance de l'énergie de l'électron était déjà un problème sérieux dans la théorie classique du champ électromagnétique, la tentative d'attribuer une taille finie ou étendue à l'électron (le classique rayon de l'électron) a menée immédiatement à la question en quoi

les contraintes du non électromagnétisme devait être invoqué, qui porterait sans doute l'électron ensemble pour contrecarrer la répulsion de Coulomb dû à sa taille finie. La situation était désastreuse, et a rappelé certains traits de la « difficulté de Rayleigh-Jeans ». Ce qui a fait que la situation des années 1940 soit si désespérer et sombre, cependant,....Champs quantiques[modifier]Notion de champ quantique[modifier]La façon dont la théorie des champs fut introduite par Dirac à partir des particules élémentaires est connue pour des raisons historiques sous l'appellation de seconde quantification.Les champs ne sont pas liés à la dualité onde-corpuscule.

Les particules élémentaires possèdent déjà cette dualité dans l'acceptation du terme de la mécanique classique. Ce que l'on entend par champ est un concept qui permet la création ou l'annihilation de particules en tout point de l'espace. Comme tout système quantique, un champ quantique a un hamiltonien et obéit à l'équation de Schrödinger :

(En théorie des champs, le formalisme lagrangien est plus facile à utiliser que son équivalent hamiltonien.)

Avec la seconde quantification, l'indiscernabilité des particules s'exprime en termes de nombre d'occupation.

Supposons que N = 3, avec une particule dans l'état φ1 et deux dans l'état φ2, alors la fonction d'onde est :

alors qu'avec la seconde quantification, cette fonction est simplement

Quoique la différence soit minime, la deuxième permet d'exprimer facilement des opérateurs création et annihilation, qui ajoutent ou enlèvent des particules à l'état. Ces opérateurs sont très similaires à ceux définis par un oscillateur harmonique quantique qui, en mécanique quantique, crée ou détruit des quanta d'énergie.

Par exemple, l'opérateur a2 a l'effet suivant:

(Le facteur normalise la fonction d'onde.)

Enfin, il faut introduire « les opérateurs de champ » de création ou d'annihilation d'une particule en un point de l'espace.

De même que pour une seule particule la fonction d'onde s'exprime avec son moment cinétique, de même les opérateurs de champ peuvent s'exprimer à l'aide des transformées de Fourier.

Par exemple, , qu'il ne faut pas confondre avec une fonction d'onde, est l'opérateur de champ d'annihilation de boson.

Les hamiltoniens, en physique des particules, sont écrits comme une somme d'opérateurs création et annihilation de champ :

Cela exprime un champ de bosons libres, où Ek est l'énergie cinétique. Cet hamiltonien est utilisé pour décrire des phonons.

Localisation[modifier]

L'expérimentateur qui enregistre un « clic » dans son détecteur aimerait relier cet événement, qu'il interprète comme la détection d'une « particule » relativement bien localisée dans l'espace (et dans le temps), au champ quantique et à ses excitations, ce qui conduit au problème de la localisation[2] en physique quantique relativiste. Pour certains types de « particules », l'opérateur de position de Newton-Wigner apporte des éléments de réponse.

Nombre baryoniqueUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Sommaire

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1 Présentation o 1.1 Explication

2 Conservation

3 Application à la physique nucléaire

4 Perspectives de violation

5 Voir aussi

o 5.1 Liens internes

Présentation[modifier]

En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être défini comme le tiers de la différence entre le nombre de quarks et le nombre d'antiquarks dans le système :

où

est le nombre de quarks, et

est le nombre d'antiquarks.

Explication[modifier]

Pourquoi prendre le tiers ?

D'un point de vue pratique, cela permet de faire correspondre le nombre baryonique au nombre de nucléons (protons et neutrons, tous deux constitués de trois quarks). Or, ces particules ont été connues bien avant, et sont plus familières que les quarks. Mais il y a mieux : un nombre baryonique non-entier signifie d'un assemblage qu'il ne peut pas exister.

En effet, d'après les lois de l'interaction forte, il ne peut pas y avoir de particules colorées nues, c'est-à-dire que la charge de couleur d'une particule doit être neutre (blanche). Ceci peut être obtenu soit en assemblant un quark d'une couleur avec un antiquark de l'anti-couleur opposée, ce qui donne un méson de nombre baryonique nul ; soit en combinant trois quarks chacun d'une couleur différente, ce qui donnera un baryon de nombre baryonique 1, ou trois anti-quarks donnant un anti-baryon de nombre baryonique -1. Il pourrait éventuellement exister une dernière possibilité consistant en 4 quarks et un anti-quark qui formeraient un

pentaquark de nombre baryonique 1. La division par trois se justifie donc par le fait que la somme des quarks moins les antiquarks d'un système est toujours divisible par 3.

Conservation[modifier]

Le nombre baryonique est conservé dans quasiment toutes les interactions du modèle standard, la seule exception pourrait résider dans l'anomalie chirale. Cette notion de conservation signifie ici que la somme des nombres baryoniques de toutes les particules initiales est la même que pour l'ensemble des particules après l'interaction.

Application à la physique nucléaire[modifier]

Dans le cas de la physique nucléaire, le nombre baryonique s’apparente au nombre de masse A qui correspond au nombre de nucléons présents dans un noyau.

Perspectives de violation[modifier]

Dans certaines théories candidates à la grande unification, il y a une non-conservation des nombres baryoniques et leptoniques.

Un signe de cette non-conservation serait la désintégration du proton. Pour le moment, cette désintégration n'a jamais été observée. Aussi, on attribue au proton une demi-vie supérieure à 1030 ans. Ce qui signifie que cette désintégration peut parfaitement être un phénomène possible tout en étant trop rare pour avoir été observée.

Nombre leptoniqueUn article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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Sommaire

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1 Présentation 2 Valeur

3 Conservation

4 Perspectives de violation

5 Voir aussi

o 5.1 Liens internes

Présentation[modifier]

En physique des particules, le nombre leptonique est un nombre quantique invariant (tout comme le nombre baryonique) attribué aux particules et fait l'objet d'une conservation lors d'une réaction nucléaire.

Valeur[modifier]

Le nombre leptonique vaut +1 pour un lepton, -1 pour un antilepton et 0 pour toute autre particule. Il s'agit d'une quantité qui s'inverse lors de passage de la matière à l'antimatière.

Nombre leptonique des particules courantes

nombre leptonique

+1 0 -1

particulesélectron, muon, tauon,neutrinos correspondants

quarks, baryons, mésons,bosons…

positron, antimuon, antitauon,antineutrinos correspondants

Conservation[modifier]

Dans chaque réaction nucléaire, il y a conservation du nombre leptonique. Par exemple, le muon (nombre leptonique 1) se désintègre en :

neutrino muonique (nombre leptonique 1), électron (nombre leptonique 1),

antineutrino électronique (nombre leptonique -1).

Soit 1 + 1 − 1 = 1 : il y a donc conservation du nombre leptonique.

Perspectives de violation[modifier]

Dans certaines théories candidates à la grande unification, il y a une non-conservation des nombres baryoniques et leptoniques.

Un signe de cette non-conservation serait la désintégration du proton. Pour le moment, cette désintégration n'a jamais été observée. Aussi, on attribue au proton une demi-vie supérieure à 1030 ans[réf. nécessaire]. Ce qui signifie que cette désintégration peut parfaitement être un phénomène possible tout en étant trop rare pour avoir été observée.