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8 particules subatomiques que vous devriez connaître

Un tableau noir au CERN recouvert d'équations de physique théorique par Alberto Ramos, chercheur en physique théorique au CERN, et Antonio Gonzalez-Arroyo de l'Universidad Autonoma de Madrid, photographié le 19 avril 2016. Crédit image : Dean Mouhtaropoulos/Getty Images

Bosons, leptons, hadrons, gluons - il semble qu'il existe un véritable zoo de particules subatomiques, et on peut vous pardonner de mélanger occasionnellement vos quarks et vos squarks (oui, les squarks sont une chose réelle, ou du moins une chose réelle possible) . La liste suivante n'est pas un catalogue complet de ce qui existe ; c'est plutôt une sorte de kit de démarrage, une combinaison des particules les plus importantes et les plus bizarres qui composent notre univers. La liste va à peu près dans l'ordre des particules que vous avez apprises en cours de physique au lycée à des entités plus exotiques qui ne sont, pour l'instant, guère plus que des scintillements dans les yeux des physiciens théoriciens.

1. ÉLECTRON : DONNEUR DE CHIMIE ET ​​D'ÉLECTRICITÉ

Alors que les protons et les neutrons (et leurs quarks constitutifs) donnent leur poids aux atomes, c'est leur entourage d'électrons beaucoup plus légers qui détermine comment les atomes s'assemblent pour former des molécules - en un mot, ce sont les électrons qui nous donnent la chimie. (Pensez à une molécule d'eau comme deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène qui ont conclu un accord de garde partagée pour leurs 10 enfants électrons.) Apprendre à manipuler les électrons a été l'un des plus grands triomphes scientifiques de l'histoire. À la fin du XIXe siècle, nous avons appris à contrôler le flux d'électrons dans les fils : l'électricité ! (Bizarrement, alors que l'électricité se déplace à la vitesse de la lumière, les électrons eux-mêmes ne se déplacent que de quelques mètres par heure.) Quelques décennies plus tard, nous avons compris comment tirer un flux d'électrons sur un écran phosphorescent à l'intérieur d'un tube à vide. télévision.

2. PHOTON : PORTEUR DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE

La nature de la lumière a intrigué les scientifiques et les philosophes depuis les temps anciens. Certains penseurs ont insisté sur le fait que la lumière se comportait comme une onde ; d'autres (le plus célèbre Isaac Newton) ont dit que la lumière était composée de particules. Au début du 20e siècle, Albert Einstein montra que Newton était sur la bonne voie, découvrant que la lumière est « quantifiée », c'est-à-dire constituée de particules discrètes (même si elle peut aussi se comporter comme une onde). Contrairement aux électrons et aux quarks (voir ci-dessous), les photons n'ont pas de « masse au repos », c'est-à-dire qu'ils ne pèsent rien, au sens courant du terme. Mais les photons ont toujours de l'énergie. Cette énergie s'avère proportionnelle à la fréquence de la lumière, de sorte que la lumière bleue (fréquence plus élevée) transporte plus d'énergie par photon que la lumière rouge (fréquence plus basse). Mais les photons transportent plus que la lumière visible ; ils véhiculent toutes les formes de rayonnement électromagnétique, y compris les ondes radio (avec des fréquences beaucoup plus basses que la lumière visible) et les rayons X (avec des fréquences beaucoup plus élevées).

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3. QUARK : VOUS, MOI, BALLE DE GOLF, STAR, GALAXIE

Les quarks sont faits de la plupart des choses familières de l'univers : vous et moi, les étoiles et les planètes, les balles de golf et les galaxies. Les quarks sont attirés les uns vers les autres par la force nucléaire dite forte, pour former des protons et des neutrons, qui constituent les noyaux des atomes. (Au moins les parties visibles. Plus à ce sujet plus tard.) En fait, en raison des particularités des règles de la mécanique quantique, elles ne peuvent exister qu'à l'intérieur de ces bêtes composites plus grandes; nous ne pouvons jamais voir un quark seul. Ils se déclinent en six « saveurs » (oui, une autre chose de la mécanique quantique): haut, bas, étrange, charme, haut et bas. Parmi ceux-ci, les quarks up et down sont les plus stables, c'est donc de ces deux-là, en particulier, que la plupart des « trucs » sont faits (les autres ne peuvent exister que dans des conditions plus exotiques). Proposé pour la première fois dans les années 1960, le modèle des quarks a depuis été confirmé par des milliers d'expériences, aboutissant à la découverte du quark top au Laboratoire Fermi en 1995.

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4. NEUTRINO : ZIPPY, AVEC UN PETIT PEU DE MASSE

Les neutrinos sont des particules insaisissables et très légères qui interagissent à peine avec la matière. Ils traversent la matière si facilement que, pendant longtemps, les physiciens se sont demandé s'ils pouvaient avoir une masse au repos nulle, comme les photons. Théorisés pour la première fois par Wolfgang Pauli en 1930, ils ont été détectés dans les années 1950, mais ce n'est qu'au cours des deux dernières décennies que les physiciens ont pu montrer que les neutrinos ont, en fait, une masse infime. (Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné à deux physiciens dont les expériences ont aidé à cerner certaines des propriétés particulières du neutrino.) Bien que minuscules, les neutrinos sont également omniprésents ; quelque 100 000 milliards de neutrinos, créés au centre du Soleil (la source majeure la plus proche), traversent votre corps chaque seconde. (Et peu importe qu'il fasse nuit, les petites particules traversent la Terre comme si elle n'était même pas là.)

5. BOSON DE HIGGS : FOURNISSEUR DE MASSE POTENTIEL

Surnommé la « particule de Dieu » par Leon Lederman en 1993, le boson de Higgs est devenu la plus célèbre de toutes les particules ces dernières années. Postulé pour la première fois dans les années 1960 (par Peter Higgs ainsi que par plusieurs autres physiciens, travaillant de manière indépendante), il a finalement été pris au piège au Large Hadron Collider près de Genève en 2012. Pourquoi tout ce tapage autour du Higgs ? La particule avait été la dernière pièce du soi-disant « modèle standard » de la physique des particules à se montrer. Le modèle, développé à partir des années 1960, explique le fonctionnement de toutes les forces connues, à l'exception de la gravité. On pense que le Higgs joue un rôle particulier au sein de ce système, conférant une masse aux autres particules.

6. GRAVITON : DERNIÈRE PIÈCE DU PUZZLE DE LA THÉORIE DES CHAMPS QUANTIQUES

Le graviton (s'il existe) serait un « porteur de force », comme le photon. Les photons « médiatisent » la force de l'électromagnétisme ; les gravitons feraient de même pour la gravité. (Quand un proton et un électron s'attirent via l'électromagnétisme, ils échangent des photons ; de même, deux objets massifs qui s'attirent via la gravitation devraient échanger des gravitons.) Ce serait une façon d'expliquer la force gravitationnelle uniquement en termes quantiques. théories des champs - ou, pour le dire plus simplement, le graviton relierait la gravitation et la théorie quantique, accomplissant une quête centenaire. Le problème est que la gravité est de loin la plus faible des forces connues, et il n'y a aucun moyen connu de construire un détecteur qui pourrait réellement accrocher le graviton. Cependant, les physiciens connaissent assez bien les propriétés que le graviton doit avoir, s'il existe. Par exemple, on pense qu'il n'a pas de masse (comme le photon), qu'il doit voyager à la vitesse de la lumière et qu'il doit s'agir d'un « boson à spin deux », dans le jargon de la physique des particules.



7. PARTICULE DE MATIÈRE NOIRE : LA CLÉ DE LA MASSE MANQUANTE ?

Il y a environ 90 ans, les astronomes ont commencé à remarquer qu'il y a quelque chose de drôle dans la façon dont les galaxies se déplacent. Il s'avère qu'il n'y a pas assez de matière visible dans les galaxies pour expliquer leur mouvement observé. Ainsi, les astronomes et les physiciens se sont efforcés d'expliquer la 'matière noire' censée constituer la masse manquante. (En fait, on pense qu'il y a beaucoup plus de matière noire que de matière ordinaire, dans un rapport d'environ cinq à un.) De quoi la matière noire pourrait-elle être faite ? Une possibilité est qu'il soit composé de particules fondamentales encore inconnues, probablement produites dans les premiers instants après le big bang. Un certain nombre d'expériences sont actuellement en cours dans l'espoir de trouver ces particules.

8. TACHYON: MUDLER DE CAUSE ET EFFET (ET PROBABLEMENT PAS RÉEL)

Depuis qu'Einstein a présenté la première partie de sa théorie de la relativité, connue sous le nom de relativité restreinte, nous savons que rien ne peut aller plus vite que la lumière. (Il est normal de se déplacer à la vitesse de la lumière, si vous n'avez pas de masse, comme un photon.) Les tachyons sont des particules hypothétiques qui voyagent toujours plus vite que la lumière. Inutile de dire qu'ils ne correspondent pas très bien avec ce que nous savons du fonctionnement de l'univers. Mais dans les années 1960, certains physiciens ont trouvé une faille : tant que la particule a été créée au-dessus de la vitesse de la lumière et n'a jamais voyagé plus lentement que la lumière, elle pourrait théoriquement exister. Malgré cela, les tachyons ne sont très probablement pas réels. (Il y a eu une vague d'excitation en 2011, lorsque des scientifiques d'un laboratoire de physique des particules en Italie ont affirmé qu'un certain type de neutrinos voyageait légèrement plus vite que la lumière ; ils ont admis plus tard qu'ils avaient fait une erreur.) ils pourraient être utilisés pour envoyer des signaux dans le passé, créant une confusion de cause à effet et conduisant à des énigmes célèbres telles que le paradoxe du grand-père. Mais la plupart des physiciens disent que dans le cas improbable où ils existent, ce ne serait pas un problème car les tachyons ne sont pas censés interagir avec la matière normale (comme nous) de toute façon.

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