Les fermions : quarks et leptons


Plusieurs méthodes indépendantes ont montré que l’Univers n’existe que depuis 13,7 milliards d’années. A cette époque reculée, ses propriétés étaient très différentes. En effet, comme l’Univers est en expansion, sa densité de matière et sa densité d’énergie sont en baisse constante, ce qui se traduit par une diminution de la température moyenne. Ainsi, plus on remonte loin dans le temps, plus la densité de l’Univers était grande et plus sa température moyenne élevée.

En conséquence, les premiers temps de l’Univers sont caractérisés par des températures et des énergies extraordinaires, des conditions que nous sommes dans l’impossibilité de recréer sur Terre. Notre seul espoir consiste alors à essayer d’extrapoler les lois de la physique que nous pouvons observer dans les accélérateurs de particules à ces conditions extrêmes. Pour comprendre les phases primordiales de l’Univers, il nous faut donc commencer par un petit détour rapide du côté de la physique des particules.

Les quarks

Jusqu’au milieu du siècle dernier, la physique des particules était relativement simple. Les seules particules élémentaires connues étaient l’électron, le proton, le neutron et le neutrino. Mais l’amélioration des moyens de détection permis de mettre en évidence l’existence d’un nombre invraisemblable de particules différentes. Ceci suggérait l’existence de particules encore plus élémentaires dont les différentes combinaisons pouvaient expliquer ce grand nombre.

Les progrès théoriques dans les années 1960 amenèrent les physiciens à la conclusion que protons et neutrons étaient en fait des systèmes complexes possédant une structure interne et constitués de particules plus élémentaires qu’ils baptisèrent les quarks. Ces travaux montrèrent qu’il devait exister six types de quarks qui furent appelés up, down, strange, charm, top et bottom.

Les hadrons

Dans des conditions ordinaires, les quarks n’existent pas à l’état isolé, on ne les trouve qu’associés en petits groupes appelés hadrons.

Trois quarks peuvent se regrouper pour former ce que l’on appelle un baryon, en particulier les deux baryons qui constituent les noyaux des atomes : le proton formé de deux quarks up et d’un quark down et le neutron constitué de deux quarks down et d’un quark up.

L’autre type de combinaison possible est le méson, formé d’un quark et d’un antiquark. De façon générale, les baryons et les mésons, sont collectivement désignés sous le nom de hadrons.

Les leptons

En plus des quarks, on trouve une deuxième catégorie de particules élémentaires : les leptons. Les deux exemples les plus connus sont l’électron et le neutrino. L’électron est une particule de charge négative qui aide les protons et les neutrons à former des atomes. Le neutrino est une particule qui interagit très peu avec la matière ordinaire.

Les progrès expérimentaux et théoriques ont permis de mettre en évidence quatre autres types de leptons : deux versions plus massives de l’électron appelées le muon et le tau, ainsi que deux autres types de neutrinos associés. Ces quatre leptons n’interviennent pas dans la matière ordinaire, ils n’apparaissent que dans des processus très énergétiques, par exemple dans les accélérateurs de particules.

Modèle standard des particules

Les particules élémentaires selon le modèle standard : six types de quarks et six types de leptons. Les douze particules sont associés en trois générations, dont la première comprend les particules de la matière ordinaire : quarks up et down, électron et neutrino. Le diagramme indique aussi la masse, la charge électrique et le spin (une propriété quantique des particules introduite dans les années 1920). Toutes les particules ci-dessus sont regroupées sous le terme générique de fermions. Crédit : Wikimedia Commons

Après cette très brève description, passons à ce qui crée les interactions entre les particules : les forces.


Page mise à jour le 10 juillet 2015 par Olivier Esslinger