Les particules sub-atomiques

Auteurs: Sylvain Fouquet, François Hammer

Liste des particules subatomiques

Classement des particules subatomiques en fonction de leur familles : photon, lepton et hadron.

Dans ses premiers instants, l'univers s'apparente à un plasma de particules élémentaires qui interagissent entre elles et avec la lumière, formant un système à l'équilibre. Des connaissances sur la physique des particules est alors primordiale pour comprendre ces premiers instants. L'expansion de l'univers ne remet pas en cause cet état d'équilibre mais oblige la matière à passer d'un état en équilibre à un autre. Les premiers instants de l'univers sont l'unique moment où l'univers connaît des températures de plusieurs milliards de Kelvin et des densités de plusieurs milliards de fois celle de l'eau. Bien que l'homme ait construit des accélérateurs de particules pour reproduire des chocs très énergétiques similaires à ceux du début de l'univers pour obtenir des particules subatomiques, il n'accède pas encore aux énergies des tous premiers instants (les premières $10^{-35}$ secondes).

Par la suite, nous utiliserons une nouvelle unité pour la masse des particules. Cela tient au fait que leurs masses sont si faibles que la notation en kg est assez lourde et peu parlante. Par la suite, les masses seront données en eV (électron-Volt), qui est une unité d'énergie. Chaque masse peut être considérée comme une énergie par la formule d'équivalence E = mc^2 . La conversion de la masse en énergie qui en découle donne des Joules, l'unité standard. Puis, cette énergie est convertie en eV (électron-Volt, énergie que gagne un électron dans un champs de 1 Volt en une seconde) par la relation suivante : 1 eV = $1.60218 \times 10^{-19}$ J. Par exemple, un proton ayant une masse de $1,67 \times 10^{-27}$ kg a une énergie de $1,44 \times 10^{-10}$ J qui équivaut à 900 MeV (Mega-eV).

De même, pour parler de l'énergie d'un photon, on sera amené à utiliser l'énergie propre d'un photon donnée par la relation $E = h \nu$ , où est la constante de Planck $6,6 \times 10^{-34}$ J.s et $\nu$ la fréquence du photon mais aussi l'énergie statistique moyenne des photons qui découle de la loi de Wien. Pour une température donnée, l'énergie des photons se situe au alentour du pic du corps noir. En moyenne, un photon, dans un corps noir d'une température de $10^{6}$ K, aura, d'après la loi de Wien, une longueur d'onde de 2,9 nm ce qui correspond à une énergie de $6,8 10^{-17}$ J ou 426 eV.

Enfin, pour les particules, on peut parler de l'énergie cinétique d'une particule, $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ où est sa masse et sa vitesse. On peut aussi dans le cas d'un corps noir parler d'énergie statistique des particules reliant leurs vitesses et la température du corps noir : $E_c = \frac{3}{2} k_B T$ où $k_B = 1,38 \times 10^{-23}$ m².kg.s^-2.K^-1 est la constante de Boltzmann et la température du corps noir. En moyenne, un proton dans un plasma de corps noir à la température de $10^{6}$ K aura une énergie cinétique égale à $2.10^{-17}$ J = 129 eV qui correspond à une vitesse de 160 km/s.

Les hadrons

Les hadrons forment la famille de particules subatomiques la plus riche. Elle compte des représentants très connus tel que le proton et le neutron (les nucléons), mais aussi une flopée de particules instables qui ne s'observent qu'assez rarement. Parmi elles se trouve la sous famille des mésons ( $\Pi$ , $\eta$ , ...), ou celle des hypérons ( $\Delta$ , $\Sigma$ , ...). Le schéma ci-joint résume clairement ces différentes familles. Les hadrons forment une structure complexe car ce ne sont pas des particules élémentaires. Elles sont elle-mêmes l'association de particules élémentaires, les quarks, jusqu'à preuve du contraire. Par exemple, le proton est l'assemblage de trois quarks : deux quarks up et un quark down. A l'inverse, le neutron est constitué de deux quarks down et d'un quark up. Les hadrons ont une masse, une charge et un spin. Ils peuvent donc ressentir les interactions gravitationnelles et électromagnétiques sauf si leur charge est nulle comme pour le neutron. En plus de cela, ils sont sujets par définition à l'interaction forte et faible. A chaque hadron est associé un nombre hadronique. Par exemple, le neutron et le proton ont un nombre hadronique de 1. Ce nombre doit être conservé dans une transformation tout comme est conservée la charge électrique.

Les leptons

Les leptons sont de vraies particules élémentaires pour autant que l'on sache. Les leptons les plus connus sont l'électron et le neutrino, découvert plus récemment. Ils ont une masse, même le neutrino qui auparavant était jugé sans masse, et peuvent aussi être chargés. Ils ont un nombre leptonique qui à l'instar du nombre hadronique est constant dans les réactions nucléaires. Par exemple, l'électron et le neutrino électronique, $\nu_e$ , ont un nombre leptonique de 1.

Les photons

Les photons sont les premières particules élémentaires connues. Elles nous entourent et sans elles le monde serait invisible pour l'homme. Elles ont la particularité de ne pas avoir de masse, ni de charge mais un spin de valeur 1. Elles font partie de la famille des bosons.