Des jeunes m’ont demandé à plusieurs reprises de faire un article sur les particules élémentaires que l’on rencontre à la base de la matière et qui sont étudiées en mécanique quantique.
           Cette demande m’embarrasse car je ne suis pas compétent en mati!ère de mécanique quantique. En effet celle-ci repose essentiellement sur de nombreuses équations mathématiques, (on les appelle des Lagrangiens), qui sont censées décrire les phénomènes, c’est à dire prévoir et expliquer l’ensemble des résultats expérimentaux. Ces équations sont d’une grande complexité car elles mettent en jeu des outils mathématiques très abstraits et qui permettent de déterminer le devenir de mouvements, de transformations, dans un environnement de forces, de champs et cela à partir de paramètres que l’on met en jeu et dont on détermine les valeurs, pour que l’on puisse expliquer les résultats de mesures ou d’expériences, soit en astrophysique, soit lors de bombar-dement de particules et de la matière dans des accélérateurs de grande énergie.
           Ces outils et opérateurs mathématiques ne m’ont jamais été enseignés et seuls des spécialistes de haut niveau les maîtrisent.
            Je me limiterai donc à simplement énumérer un certain nombre de particules qui sont utilisées. dans la structure de la matière et d’expliquer comment elles interviennent.
          Quand j’ai fait mes études après le bac, dans les années 48/52, les particules que l’on connaissaient, et dont on étudiait quelques caractéristiques en physique, étaient beaucoup moins nombreuses et les équations de mécanique quantique beaucoup plus simples.
           Mais depuis 70 ans tout a évolué, notamment du fait de la possibilité de recourir aux gros ordinateurs et d’autre part de disposer d’énormes accélérateurs de particules et d'appareils électronique de mesure très performants.
         Alors, pour expliquer les résultats expérimentaux, il a fallu « inventer » de nouvelles particules et compléter les équations du « modèle standard », qui décrit leur comportement dans certaines circonstances.
        Je vais donc partir des particules élémentaires puis voir ensuite leurs associations ou leurs influences dans un environnement  de la matière que nous connaissons mieux.          

            Le tableau en début d’article était humoristique. En voici un plus sérieux 

             Les particules élémentaires, que l’on appelle des « fermions », sont (pour le moment !) au nombre de 12, six « quarks » et six « leptons ».  En bas des cases le nom des particules (il ne faut pas y voir de signification physique).
             De plus on considère les 12 anti-particules, de charge opposée, (pour l’électron négatif, l’électron positif).
            Ces particules sont classées en trois familles de 2 quarks et deux leptons, familles que l’on app elle du nom poétique de « saveurs ».
            La première famille correspond à des particules stables que l'on rencontre dans la matière courante, les particules des deux autres familles étant instables.

           Sur le coté des cases, trois paramètres physiques :

                        - la masse mais avec une unité particulière qui provient de l’équation d’Einstein 
E = mc²  . On peut évaluer la masse par le rapport E/c², où E est évalué en électrons-volts, qui est une unité courante d’énergie pour les particules, par exemple en radioactivité.
Ce n’est évidemment pas très parlant pour nous habitués kg. Mais cela permet de comparer les masses des particules entre elles et à titre de référence, la masse de l’électron est de 9,11 10^-31 kg.

                        - la charge électrique, évaluée par rapport à celle de l’électron prise pour unité (mais négative).

                        - le spin qui, pour toutes ces particules, est égal à ½..
               En mécanique classique on distingue les déplacement (par exemple la terre autour du soleil), et les rotations autour d’un axe, (par exemple celle de la terre). Au déplacement on associe la qquantité de mouvement mv, et pour la rotation le moment cinétique qui est un vecteur dans l’axe dde la rotation dont la longueur est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation.           
             La mécanique quantique attribue aux particules une grandeur analogue à un moment cinétique, le spin, mais il intervient  seulement en tant que tel dans une équation mathématique et on ne peut pas dire que la particule tourne autour d’un axe réellement.
            Le spin est responsable d’une partie des propriété magnétiues des particules.

                         - Pour compliquer un peu plus, les quarks sont associés à un autre nombre quantique trivalent appelé «charge de couleur » et ces trois valeurs quantiques sont bleu, rouge et vert, mais cela n’a rien à voir avec une couleur. Ce n’est qu’une simple appellation.

          Les quarks interviennent en s’associant entre eux pour former des particules composites plus complexes, ce qui permet d’expliquer des phénomènes entre ces particules. Ils interviennent alors dans des équations mathématiques, mais on ne peut pas les isoler et les observer chacun directement. En fait tout se passe comme si les quarks existaient en tant que particules, car on est obligé de les introduire dans les équations mathématiques pour expliquer les résultats d’expé-riences, mais on ne peut démontrer leur réalité matérielle.
            On constate le plus souvent l’association de quarks dont la somme des charges est un multiple entier, ou de trois quark de couleurs différentes . Mais il existe d’autres cas par exemple l’association d’un quark et d’un anti-quark de même couleur,
           Les quarks « up » et « down » s’associent pour former des particules composites courantes, que l’on appelle « hadrons », tels neutrons ou les protons. Les quatre autres quarks, de masse beaucoup plus importantes, donnent des éléments composites beaucoup plus lourds et instables, qui ont une durée de vie très courte (quelques nanosecondes à
10^-24 s) et sont donc très difficiles à observer.

         En fait seuls les protons composés de 2 u et un d, sont des particules composites stables; Le neutron ( 2 d et un u) est stable s‘il est incorporé dans un noyau atomique. Tous les autres hadrons ne se forment que fugacement lors de la collision avc d’autres particules, dans un très gros accélérateur, comme le « grand collisionneur de hadrons - LHC du CERN à Genève. Ils se désintègrent très rapidement, (quelques nanosecondes à 10^-24 secondes). 

              Le LHC crée de nouveaux hadrons en fracassant frontalement, à haute énergie, des faisceaux de proton. 
             On a même trouvé des quadri-quarks et des penta-quarks, constitués de 4 et 5 quarks.    

             Venons en aux leptons dont le plus connu est l’électron. Le muon et le tau ont une charge analogue, mais ont une masse 207 et 3475 fois plus grande. Alors que l’électron est stable et que les flux d’électrons sont des phénomènes courants, le muon et le tau sont instables. et leurs flux sont donc de courte durée; 
             Le muon a une durée de vie de l’ordre de 2 microsecondes. Il est créé en haute atmosphère sous l’effet du rayonnement cosmique. Si on le soumet à un champ magnétique, sa trajectoire et mois incurvée que celle des électrons (moins lourds) et plus  incrurvée que celle d’un proton (plus lourd).
            Le tau a une durée de vie encre plus courte 3 10^-13 secondes. Il a été découvert car il se désintègre facilement en muons et en électrons.  

             La deuxième catégorie de leptons est constituée par les neutrinos. Ce sont des particules sans masse et sans charge qui donc sont insensibles aux actions électromagnétiques ou aux constituants de la matière. Ils sont donc très difficiles à détecter et des milliards de neutrinos d’origine solaire, traversent allègrement l’environnement et le corps humain sans heurt.  
            Ils ne possèdent pas non plus de charge de couleur.
            La radioactivité béta (production d’électrons par les noyaux radioactifs), a posé une énigme aux physiciens car il n’y avait pas conservation de l’énergie et du spin. Ils ont été amenés à faire l’hypothèse, en 1930/32, de la production d’une particule sans masse et sans charge, le neutrino.  
            Trois sortes de neutrinos accompagneraient la formation d’un électron, d’un muon ou d’un tau. (on appelle ces formes de neutrinos, des « saveurs »).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            
         Les neutrinos subissent cependant les forces faible dont je parlerai demain, mais dont la distance d’effet est infime. La matière ne peut donc que réagir très rarement sur eux.
            Les détecteurs de neutrinos contiennent donc des centaines de tonnes d’un matériau et sont construits de telle façon que quelques atomes par jour interagissent avec les neutrinos entrants, que l’on peut ainsi détecter.
            Des expériences ont montré que les neutrinos pouvaient se transformer continuellement d’une forme de saveur (électronique, muonique ou tauique) en une autre. Ce phénomène est appelé « oscillation des neutrinos » et théoriquement il demande que le neutrino ait une masse. Mais elle eest tellement petite qu’elle n’a jamais pu être mesurée jusqu’à présent.
           Ses déplacement dans le vide se font à la vitesse de la lumière (une expérience OPERA en 2011 avait mesuré une vitesse légèrement supérieure, mais cela était dû à un capteur déficient).

            Mon article est déjà long et difficile à lire par tout le vocabulaire qu’il utilise.
           Demain, je continuerai cet exposé, en parlant des particules secondaires  composées de quarks et surtout des interactions entre particules au sein de la matière, et enfin du boson de HIggs.