Leçons de niveau 15

Particule élémentaire/Fermions

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Fermions
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Chapitre no 1
Leçon : Particule élémentaire
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Particule élémentaire/Fermions
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Les leptons[modifier | modifier le wikicode]


On peut classer ces six leptons grâce à un tableau comportant trois générations :

Charge électrique 0 –1e ( e = 1,602176487×10−19 C )
Génération Particule Symbole /
antiparticule
Particule Symbole /
antiparticule
1re Neutrino électronique νe / νe Électron e – / e +
2e Neutrino muonique νµ / νµ Muon µ – / µ +
3e Neutrino tauonique ντ / ντ Tau τ – / τ +

En plus de ces dernières, il ne faut pas oublier leurs anti-particules respectives. Chaque anti-particule (six pour les leptons donc) possède la même masse et le même spin mais a une charge électrique opposée et son isospin devient faible.

Les quarks[modifier | modifier le wikicode]


Au même titre que les leptons, nous pouvons dresser un tableau comportant encore trois générations :

Charge électrique +2/3e –1/3e
Génération Particule Symbole /
antiparticule
Particule Symbole /
antiparticule
1re Quark up u / u Quark down d / d
2e Quark charm c / c Quark strange s / s
3e Quark top t / t Quark bottom b / b

Attardons-nous un peu sur ces quarks. Comme dit précédemment, ils sont au cœur de la matière que l’on connait (du moins pour la première génération). Il faut en effet trois quarks pour former un proton, un neutron ou tout autre baryon.

Début de l'exemple
Fin de l'exemple


On a donc des protons formés de deux quarks up et d'un down. Les neutrons, quant à eux, sont constitués de deux down pour un up. Les autres quarks n'interviennent pas dans la matière que l’on voit habituellement car ils sont bien trop instables et se désintègrent rapidement en une génération plus basse.

Début de l'exemple
Fin de l'exemple


Ces quarks servent aussi à la constitution des mésons; en effet, il suffit d'un quark et d'un antiquark pour former un méson. Il existe ainsi une très vaste collection de méson.

Début de l'exemple
Fin de l'exemple


Le principe d'exclusion de Pauli[modifier | modifier le wikicode]


Afin de comprendre ce principe, il faut savoir que les états quantiques des particules sont caractérisés par des nombres quantiques qui sont au nombre de quatre : le nombre quantique principal (n), le nombre quantique orbital ou azimutal (l), le nombre quantique magnétique (m) et enfin le nombre quantique de spin (s).

Début de l'exemple
Fin de l'exemple


Ce principe n’est pas considéré comme un principe fondamental de mécanique mais peut facilement s'en dériver (cf Calculs Fermions).

Ce principe ne nous dit cependant pas pourquoi des particules se trouvent ici ou là. Afin de connaître la distribution (statistique) de particules au sein d'un système, il faut avoir recours au principe de Fermi-Dirac

Statistique de Fermi-Dirac[modifier | modifier le wikicode]

Cette distribution fut introduite dans les années 1920 par deux physiciens Enrico Fermi et Paul Dirac.

Ce principe trouve beaucoup d’applications dans le cadre purement quantique. La description mathématique n'apporte cependant pas grand-chose (cf Calculs Fermions pour les curieux)

Les anciennes particules élémentaires[modifier | modifier le wikicode]

L'homme a toujours voulu savoir de quoi était composé son environnement. Nous avons aujourd’hui réussi à percer à jour les quarks et les leptons que l’on qualifie de particules élémentaires, mais il n'en fut pas toujours ainsi ... Au temps de la Grèce Antique, la notion d'atome fut introduite. Atome veut en fait dire insécable, ainsi pour les Grecs antiques, l'atome était le constituant élémentaire de la matière. On a encore aujourd’hui gardé ce mot bien qu'un peu dépassé par les découvertes qui suivirent la bonne époque de Démocrite.

Ce n'est qu'au XXe siècle que l’on découvrit des constituants encore plus fondamentaux composant l'atome : le neutron, le proton et l'électron. Aujourd’hui encore l'électron fait son chemin en tant que particule élémentaire, mais il n'en fut pas autant pour nos nucléons ! D'abord né d'une prédiction théorique, les premiers quarks observés le furent au CERN en 1964.

Nous en sommes là aujourd’hui : quarks, leptons et bosons. Cependant, certaines théories postulent de nouvelles particules élémentaires comme les préons ou encore des cordes ou supercordes décrites dans le cadre des théories du même nom.

Le modèle standard des particules[modifier | modifier le wikicode]

Considéré comme l'une des théories la plus aboutie de notre temps, le modèle standard a su convaincre plus d'un physicien. Il décrit parfaitement les effets des trois interactions électromagnétiques, nucléaire forte et faible ainsi que le comportement des particules élémentaires aujourd’hui connues. On le voit souvent illustré à travers un tableau que je ne peux qu'ajouter à ce cours :

Modèle standard sous forme de tableau.

Ce qui est parfait pour introduire un nouveau chapitre ... les bosons !