Particules élémentaires

Particules élémentaires du modèle standard

! Les quarks	! Échange de particules
! Leptons	! le boson de Higgs

Les particules élémentaires sont des particules subatomiques indivisibles et les plus petits éléments constitutifs connus de la matière . Du point de vue de la physique théorique , ce sont les niveaux les plus bas d'excitation de certains champs . Selon les connaissances d'aujourd'hui, qui ont été sécurisées par des expériences et résumées dans le modèle standard de la physique des particules élémentaires , il y a

six types de quarks chacun avec trois charges de couleur différentes ,
six types de leptons , à savoir trois leptons chargés et trois neutrinos ,
douze types de bosons de jauge
, à savoir
- un photon pour l' interaction électromagnétique
- huit gluons pour l' interaction forte ,
- trois bosons ( Z ⁰ , W ⁺ , W ^- ) pour l' interaction faible
et le boson de Higgs .

Il en résulte 37 particules élémentaires dans un premier temps. Il existe également des antiparticules : dix-huit anti-quarks et six anti-leptons. Les antiparticules des huit gluons sont déjà incluses. Les particules photon , Z ⁰ et boson de Higgs sont chacune leur propre antiparticule et W ⁺ / W ^- sont leurs antiparticules mutuelles. Dans ce décompte, il y a donc un total de 61 types de particules élémentaires.

La matière et les champs de force et de rayonnement du fort, du faible et de l'interaction électromagnétique sont constitués de ces particules dans des compositions et des états différents. Dans le cas du champ gravitationnel et des ondes gravitationnelles , les particules sous-jacentes - les gravitons (G) - ont jusqu'à présent été hypothétiques ; dans le cas de la matière noire , elles sont encore totalement inconnues.

Les particules nommées sont petites dans le sens où

qu'on n'a pas encore pu obtenir des indices pour un diamètre autre que zéro à partir d'expériences. Théoriquement, ils sont donc supposés être ponctuels.
que, selon l'état actuel des connaissances, elles ne sont pas composées de sous-unités encore plus petites.
que même un petit objet de la vie quotidienne contient déjà des billions (10 ²¹ ) de ces particules. Par exemple, la tête d'une broche est déjà constituée de 10 ²²électrons et 10 ²³ quarks.

Clarification du terme

D'autres particules élémentaires sont prédites par des théories qui vont au-delà du modèle standard. Cependant, ceux-ci sont qualifiés d'hypothétiques car ils n'ont pas encore été prouvés par des expériences.

Jusqu'à la découverte des quarks, tous les types de hadrons étaient également considérés comme des particules élémentaires, e . B. les blocs de construction de base proton , neutron , pion et bien d'autres. En raison du grand nombre d'espèces différentes, on a parlé de «zoo de particules». Même aujourd'hui, les hadrons sont souvent appelés particules élémentaires, bien que selon le modèle standard, ils soient tous composés de quarks. B. ont également un diamètre mesurable de l'ordre de ^{10 à 15} m. Pour éviter toute confusion, les particules élémentaires listées ci-dessus selon le modèle standard sont parfois appelées particule élémentaire fondamentale ou particules fondamentales appelées.

Histoire et aperçu

matière

Jusqu'au début du XXe siècle, les philosophes et les scientifiques se disputaient si la matière était un continuum qui pouvait être subdivisé à l'infini, ou si elle était composée de particules élémentaires qui ne pouvaient pas être davantage décomposées en morceaux plus petits. De telles particules étaient appelées «atome» depuis l'Antiquité (du grec ἄτομος átomos , «l'indivisible»), le nom de particule élémentaire (ou particule élémentaire anglaise ) n'apparaissait pas avant les années 1930. Les premières considérations philosophiques connues sur les atomes proviennent de la Grèce antique ( Démocrite , Platon ). Sur la base des connaissances scientifiques, ce terme a été rempli pour la première fois avec le contenu d'aujourd'hui vers 1800, lorsque, après les travaux de John Dalton , l'idée a commencé à être acceptée en chimie selon laquelle chaque élément chimique est constitué de particules identiques les unes aux autres. Ils s'appelaient des atomes; ce nom a tenu bon. Les diverses manifestations des substances connues et leurs possibilités de transformation pourraient s'expliquer par le fait que les atomes se combinent selon des règles simples de différentes manières pour former des molécules . Les atomes eux-mêmes étaient considérés comme immuables, en particulier indestructibles. À partir de 1860, cette image a conduit à une explication mécanique des lois des gaz dans la théorie des gaz cinétiques par le mouvement désordonné de la chaleur de nombreuses petites particules invisibles. Cela pourrait inclure la taille réelle des molécules peut être déterminée: elles sont de nombreux ordres de grandeur trop petites pour être visibles au microscope.

Néanmoins, au XIXe siècle, cette image était qualifiée de simple « hypothèse atomique » et critiquée pour des raisons de principe (voir l'article Atom ). Elle n'a trouvé une approbation générale que dans le contexte de la physique moderne au début du 20e siècle . Albert Einstein a réalisé une percée en 1905. Il a déduit théoriquement que les petits atomes ou molécules invisibles, en raison de leur mouvement thermique, entrent en collision irrégulièrement avec des particules plus grosses déjà visibles au microscope, de sorte que celles-ci sont également en mouvement constant. Il a pu prédire quantitativement le type de mouvement de ces particules plus grosses, ce qui a été confirmé à partir de 1907 par Jean-Baptiste Perrin grâce à des observations microscopiques du mouvement brownien et de l' équilibre de sédimentation . Ceci est considéré comme la première preuve physique de l'existence des molécules et des atomes.

En même temps, cependant, les observations sur la radioactivité ont montré que les atomes, tels qu'ils avaient été définis en chimie, ne peuvent être considérés en physique comme immuables ou indivisibles. Au contraire, les atomes peuvent être divisés en une couche atomique d' électrons et un noyau atomique , qui à son tour est composé de protons et de neutrons . L'électron, le proton et le neutron ont alors été considérés comme des particules élémentaires, bientôt avec de nombreux autres types de particules découverts dans les rayons cosmiques à partir des années 1930 ( par exemple muon , pion , kaon ainsi que positron et autres types d' antiparticule ) et à partir de 1950 dans des expériences. aux accélérateurs de particules.

En raison de leur grand nombre et de leurs propriétés et relations confuses, tous ces types de particules ont été regroupés sous le nom de «zoo de particules», et il y avait un doute largement répandu sur le fait qu'elles puissent toutes être vraiment élémentaires dans le sens de ne pas être composées . La première caractéristique d'une classification était la distinction entre hadrons et leptons dans les années 1950 . Les hadrons comme les protons et les neutrons réagissent à l' interaction forte , les leptons comme l'électron uniquement à l' interaction électromagnétique et / ou faible . Si les leptons sont encore aujourd'hui considérés comme élémentaires, des particules «plus petites», les quarks , ont pu être identifiées dans les hadrons des années 1970 . Les six types de quarks sont les particules réellement élémentaires selon le modèle standard , à partir desquelles, avec les gluons, sont construits les nombreux hadrons du zoo de particules.

Des champs

Les champs physiques tels que le champ gravitationnel, le champ magnétique et le champ électrique étaient et sont considérés comme un continuum. Autrement dit, ils ont une certaine intensité de champ en chaque point de l'espace, qui peut varier spatialement et temporellement de manière continue (c'est-à-dire sans sauts). La découverte que les particules élémentaires jouent également un rôle dans le champ électromagnétique a été préparée par Max Planck en 1900 et élaborée par Albert Einstein en 1905 sous la forme de l' hypothèse quantique de la lumière . Selon cela, les champs électromagnétiques libres qui se propagent sous forme d'ondes ne peuvent être excités ou affaiblis que par sauts de la taille d'un quantum élémentaire. Que ces quanta électromagnétiques aient toutes les propriétés d'une particule élémentaire a été reconnu à partir de 1923 à la suite des expériences d' Arthur Compton . Il a montré qu'un seul électron se comporte dans un champ de rayonnement électromagnétique exactement comme s'il y heurterait une seule particule. En 1926, ce quantum électromagnétique a reçu le nom de photon .

Pour 1930 , sur la base de la mécanique quantique , les électrodynamique quantique développés qui décrit l'émergence d'une émission de photons dans le processus et sa destruction dans le processus d'absorption. Dans le contexte de cette théorie, il apparaît que les champs électriques et magnétiques statiques connus sont également dus à l'effet de photons, qui, cependant, sont générés et détruits sous forme de particules dites virtuelles . Le photon est le quantum de champ du champ électromagnétique et la première particule d' échange connue à l'origine de l'une des forces fondamentales de la physique.

Cela a abouti à deux développements supplémentaires: la formation et la destruction de particules telles que les électrons et les neutrinos observées dans la radioactivité bêta ont été interprétées comme l'excitation ou l'affaiblissement d'un «champ d'électrons» ou d'un «champ de neutrinos», de sorte que ces particules sont désormais également visualisées. comme quanta de champ de leur champ respectif (voir théorie quantique des champs ). D'autre part, des particules d' échange ont été recherchées et trouvées pour d'autres forces de base: le gluon pour l'interaction forte (prouvé en 1979), le boson W et le boson Z pour l'interaction faible (prouvé en 1983). Pour la gravité, la quatrième et de loin la plus faible des interactions fondamentales , il n'existe toujours pas de théorie quantique des champs reconnue. Bien que toutes les particules soient soumises à la gravité, les effets théoriquement attendus des réactions des particules élémentaires sont considérés comme non observables. La gravitation n'est donc pas traitée dans le modèle standard, d'autant plus qu'un champ quantique associé, le graviton , a été jusqu'à présent purement hypothétique.

Le boson de Higgs est le quantum de champ d'un autre nouveau champ qui a été inséré dans la théorie des champs quantiques de l'interaction électromagnétique et faible unifiée ( interaction électrofaible ) afin de pouvoir formuler théoriquement de manière cohérente le fait qu'il existe des particules de masse. Un nouveau type de particule correspondant à ces attentes a été trouvé en 2012 lors d'expériences au Grand collisionneur de hadrons près de Genève.

Liste des particules élémentaires

Division en fermions et bosons

Particules élémentaires
Fermions élémentaires ("particules de matière")		Bosons élémentaires
Leptons	Les quarks	Bosons d'étalonnage («particules de force»)	le boson de Higgs
ν _e , ν _μ , ν _τ , e ^- , μ ^- , τ ^-	d, u, s, c, b, t	g , γ , W ^± , Z ⁰	H ⁰

Tout d'abord, une distinction est faite entre les deux classes de fermions et de bosons pour les particules élémentaires (ainsi que pour les particules composites) . Les fermions ont un spin demi-entier et obéissent à une loi de conservation du nombre de particules, de sorte qu'elles ne peuvent apparaître ou périr qu'avec leurs antiparticules. Les bosons ont un spin entier et peuvent être créés et annihilés individuellement. En vue de la conservation de la matière dans la vie quotidienne et en physique classique, les fermions parmi les particules élémentaires sont donc souvent considérés comme les plus petites particules de matière et sont également appelés particules de matière . Les bosons parmi les particules élémentaires, par contre, sont associés à des champs car une intensité de champ peut varier continuellement en physique classique. Les bosons sont donc souvent appelés quanta de force ou champs de rayonnement, ou brièvement quanta de champ. Cependant, dans la théorie quantique des champs, les fermions sont également des quanta de champ de leurs champs respectifs. Parmi les particules élémentaires du modèle standard, les leptons et les quarks appartiennent aux fermions et les particules d'échange ainsi que le boson de Higgs (et - s'il existe - le graviton) appartiennent aux bosons.

Leptons

Les leptons sont les particules élémentaires de matière à spin qui ne sont pas soumises à l'interaction forte. Ce sont des fermions et participent à l'interaction faible et, s'ils sont chargés électriquement, à l'interaction électromagnétique. ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Charge électrique	génération
Charge électrique	1	2	3
−1	Electron (s)	Muon (μ)	Tauon (τ)
0	Neutrino électronique (ν _e )	Neutrino muonique (ν _μ )	Neutrino de Tauon (ν _τ )

Il existe trois leptons chargés électriquement (charge = −1e): l' électron (e), le muon (μ) et le tauon (ou τ lepton) (τ) et trois leptons électriquement neutres: l' électron neutrino (ν _e ), le le neutrino muonique (ν _μ ) et le neutrino tauon (ν _τ ). Les leptons sont disposés en trois générations ou familles : (ν _e , e), (ν _μ , μ) et (ν _τ , τ). Chaque famille a son propre nombre de leptons, qui est toujours préservé sauf pour les oscillations des neutrinos .

Pour chacun de ces types de leptons, il existe un type correspondant d' antiparticule , qui est généralement identifié par la syllabe anti- précédente . Seule l'antiparticule de l'électron, qui fut la première antiparticule découverte, s'appelle le positron . Il ne se produit jamais dans les observations que lorsqu'un antilepton est généré, un lepton n'est pas également généré ou un autre antilepton n'est pas détruit. Il décrit cette situation comme la conservation du nombre de lepton (également appelé Leptonenladung ) est employée pour chaque lepton et pour chaque antilepton , la valeur totale de reste constante. La préservation du nombre de leptons s'applique à tous les processus de création et d'annihilation des leptons et des antileptons. Des théories au-delà du modèle standard ont spéculé sur d'éventuelles violations de cette loi, mais elles n'ont pas encore été observées et sont donc hypothétiques. ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle L = + 1}$ ${\ displaystyle L = -1}$ ${\ displaystyle L}$

Les seuls leptons stables sont l'électron et le positron. Les muons et les tauons se désintègrent spontanément en se transformant en un lepton plus léger avec la même charge électrique, un neutrino et un antineutrino, via l'interaction faible. Alternativement, les tauons peuvent se désintégrer en neutrino et hadrons.

Les quarks

Les quarks sont les particules élémentaires de matière à spin , qui, en plus de l'interaction faible et électromagnétique, sont également soumises à l'interaction forte. Ce sont des fermions et, en plus de l'isospin faible (en fonction de leur chiralité ) et de la charge électrique, portent également une charge de couleur . ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Charge électrique	génération
Charge électrique	1	2	3
+ ² ⁄ ₃ e	haut (u)	charme (c)	haut (t)
- ¹ ⁄ ₃ e	vers le bas (d)	étrange (s)	bas (b)

Il existe trois types de quarks avec la charge électrique e: bas (d), étrange (s) et bas (b), et trois types de quarks avec la charge électrique e: up (u), charme (c) et top ( t). Ainsi, on connaît aussi trois générations ou familles de quarks : (d, u), (s, c) et (b, t). Comme pour les leptons, les familles diffèrent grandement dans leurs masses. Les conversions de quarks ont lieu en raison de l'interaction faible, de préférence au sein d'une famille (par exemple c ⇒ s). Ces conversions sont décrites par la matrice de mélange Quark . ${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$

Lors de la création ou de la destruction de quarks ou d'antiquarks, la même rigueur s'applique à la préservation du nombre de baryons (également appelé charge baryonique ) que pour les leptons (voir ci-dessus ): si l'on fixe pour chaque quark et pour chaque antiquark , la valeur totale du le nombre de baryons reste avec tous les processus physiques connus constants. Le choix de la valeur s'explique par le fait que les protons et les neutrons des éléments constitutifs du cœur se sont vu attribuer le numéro de baryon 1 bien avant qu'on ne découvre qu'ils étaient constitués de trois quarks. Ici aussi, les théories au-delà du modèle standard spéculent sur d'éventuelles violations de la conservation du nombre de baryons, mais elles n'ont pas encore été observées et sont donc hypothétiques. ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle B = {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle B = - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {3}}}$

Les quarks ne sont jamais observés librement, mais uniquement en tant que composants liés des hadrons (voir la section «Particules composées» ci-dessous).

Échange de particules (bosons de jauge)

Particule	Énergie de repos (GeV)	Spin ( ) ${\ displaystyle \ hbar}$	Charge électrique ( ) ${\ displaystyle e}$	interaction médiatisée
photon	0	1	0	force électromagnétique
Z ⁰ boson	environ 91	1	0	force faible
W ⁺ boson	environ 80	1	+1
W ^- boson	environ 80	1	−1
Gluons	0	1	0	force forte (force de couleur)
( Graviton )	0	2	0	La gravité

Les particules d'échange sont les bosons qui assurent la médiation des interactions entre les particules élémentaires précitées de type fermion . Le nom de boson de jauge est expliqué par le fait que le modèle standard est formulé en tant que théorie de jauge , où l'exigence d'invariance de jauge locale signifie que les interactions avec les particules d'échange sont prédites qui ont un spin 1, c'est -à- dire sont des bosons .

Le graviton n'a pas encore été prouvé dans les expériences et est donc hypothétique. Cependant, il est souvent répertorié en relation avec les autres particules d'échange, ce qui reflète l'espoir que dans les futurs modèles de physique des particules, l'interaction gravitationnelle puisse également être traitée en termes de théorie quantique des champs. Les propriétés du graviton données dans le tableau de droite correspondent à ce à quoi on peut s'attendre selon la théorie générale de la relativité .

photon

En tant que quantum de champ du champ électromagnétique, le photon est le plus long boson de jauge connu. Il peut être créé ou détruit par n'importe quelle particule avec une charge électrique et médiatise toute l'interaction électromagnétique . Il n'a ni masse ni charge électrique. En raison de ces propriétés, l'interaction électromagnétique a une portée infinie et peut avoir un effet macroscopique.

Bosons W et Z

Il y a deux bosons W avec des charges électriques opposées et le boson Z neutre. Ils peuvent être générés et détruits par n'importe quelle particule avec une faible isospin ou une faible hypercharge , et ils interviennent dans l' interaction faible . Ils sont ainsi responsables de tous les processus de transformation dans lesquels un quark se transforme en un autre type de quark, ou un lepton en un autre type de lepton. Ils ont une masse importante, ce qui limite leur portée en tant que particules d'échange à l'ordre de 10 ^-18 m. Cette portée extrêmement courte est la raison pour laquelle l'interaction faible apparaît faible. Contrairement au photon, les bosons W portent également eux-mêmes des isospins faibles . Ainsi, ils peuvent également interagir les uns avec les autres via l'interaction faible.

Gluon

Les gluons peuvent être générés et détruits par les particules colorées et médier la forte interaction entre eux . En plus des quarks, les gluons eux-mêmes portent également une charge de couleur, chacun en combinaison avec une charge anti-couleur. Les mélanges possibles remplissent un espace d'états à huit dimensions, c'est pourquoi on parle généralement de huit gluons différents. Deux des huit dimensions appartiennent à des états dans lesquels le gluon porte la charge anticolore correspondant exactement à la charge de couleur; ces gluons sont leurs propres antiparticules. Les gluons n'ont pas de masse et ni de charge électrique, ni d'isospin faible. En tant que porteurs de charges colorées, ils interagissent également les uns avec les autres. Cette propriété est à l'origine du confinement , qui limite effectivement la portée de l'interaction forte à environ 10 ^-15 m. C'est à peu près le diamètre des hadrons constitués de quarks (tels que les protons et les neutrons) et également la plage de la force nucléaire qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans le noyau atomique.

Le boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule élémentaire prédite par le modèle standard qui a été découvert au centre européen de recherche nucléaire CERN . Il peut être créé et détruit par toutes les particules de masse et est le quantum de champ du champ de Higgs omniprésent , qui donne à ces particules leur masse en premier lieu. Le boson de Higgs a un spin 0 et n'est pas un boson de jauge.

Particules composées de particules élémentaires

Particules composées
Groupe de particules		Exemples	Explication
Hadrons			se composent de quarks (et de gluons )
Mésons			Hadrons à spin entier ( bosons )
	Quarkonia	J / ψ , Υ , ...	quark lourd et son antiquark
	autre q q	π , K , η , ρ , D , ...	généralement un quark et un antiquark
	exotique	Tetraquarks , boules de colle , ...	en partie hypothétique
Baryons			Hadrons de spin demi-entier ( fermions )
	Nucléons	résonances p , n , N	Baryons des quarks u et d avec isospin ¹ ⁄ ₂
	Δ-baryons	Δ ⁺⁺ (1232), ...	Baryons des quarks u et d avec isospin ³ ⁄ ₂
	Hyperons	Λ , Σ , Ξ , Ω	Baryons avec au moins un quark s
	autre	Λ _c , Σ _c , Ξ _b , ...	Baryons avec des quarks plus lourds
	exotique	Pentaquarks , ...	composé de plus de trois quarks
Noyaux atomiques			Baryons liés par une forte interaction
	Ordinaire	d , α , ¹² C , ²³⁸ U , ...	se composent de protons et de neutrons
	exotique	Hyper noyaux , ...	autres systèmes
Atomes			lié électromagnétiquement
	Ordinaire	H , He , Li , ...	se composent d'un noyau atomique et d'électrons
	exotique	Positronium , muonium , ...	autres systèmes

Les particules composées de quarks (et de gluons) sont appelées hadrons . Jusqu'à la découverte des quarks et le développement du modèle standard vers 1970, ils étaient considérés comme des particules élémentaires et sont encore souvent appelés comme tels aujourd'hui. Les hadrons sont divisés en deux catégories: les mésons et les baryons .

Les noyaux atomiques sont également constitués de quarks et liés par l'interaction forte, mais ne sont pas appelés hadrons.

Mésons

Les mésons ont un spin entier, donc ce sont des bosons . Ce sont des états contraignants d'un quark et d'un antiquark. Tous les mésons sont instables. Le méson le plus léger est le pion qui, en fonction de la charge électrique, se transforme en leptons ou photons («désintégrations»). Dans la théorie de Yukawa, les pions sont considérés comme des particules d'échange des forces nucléaires avec lesquelles les protons et les neutrons sont liés dans le noyau atomique.

Baryons

Les baryons ont un spin demi-entier, donc ce sont des fermions . Ce sont des états de liaison de trois quarks (analogues aux antibaryons de trois antiquarks). Les seuls baryons stables sont le proton et l'antiproton. Tous les autres sont instables en eux-mêmes et finissent par se transformer en proton ou antiproton, éventuellement via des étapes intermédiaires. Les baryons les plus importants sont le proton et le neutron . Puisqu'ils sont les composants du noyau atomique, ils sont collectivement appelés nucléons .

Noyaux atomiques

Les noyaux atomiques sont des systèmes liés de baryons en raison de la forte interaction. Normalement, ils sont constitués de protons et de neutrons - seuls ces noyaux atomiques peuvent être stables. Le plus petit système stable de ce type est le noyau atomique de l'hydrogène lourd, appelé deutéron et composé d'un proton et d'un neutron, soit six quarks. Habituellement, le proton est également l'un des noyaux atomiques, car il représente le noyau de l' atome d'hydrogène . Si un ou plusieurs nucléons sont remplacés par d'autres baryons, on parle d' hyper noyaux . En raison de la courte portée de l'interaction forte, la distance moyenne entre les baryons dans le noyau atomique n'est pas beaucoup plus grande que leur diamètre.

Atomes

Les atomes sont des systèmes liés par une interaction électromagnétique, qui consistent généralement en un noyau atomique (lourd) et des électrons (légers). Si un nucléon dans le noyau atomique et / ou un électron dans la coquille est remplacé par des particules d'un autre type, un atome exotique instable est créé . Au 19e siècle, avant la découverte de la structure interne des atomes, les atomes eux-mêmes étaient parfois appelés les particules élémentaires des éléments chimiques.

Stabilité et durée de vie

Parmi les particules élémentaires du modèle standard, seuls l'électron, le positron, le photon et les neutrinos sont stables à l'état libre et isolé.

Dans le cas des quarks et des gluons, il est difficile de parler de stabilité car ils ne peuvent pas être isolés. Ils n'apparaissent que dans plusieurs ensemble dans les hadrons. Ils y sont constamment transformés d'une espèce à une autre par la forte interaction qui les maintient ensemble. La stabilité du proton ou de nombreux autres noyaux atomiques n'est valable que dans son ensemble, mais pas pour le quark ou le gluon individuel qui y est contenu. Un neutrino de l'un des trois types de neutrinos montre un mélange changeant périodiquement des trois types avec l' oscillation du neutrino , mais certains mélanges des différents types de neutrinos, les trois états propres de masse , sont stables. (Il en va de même pour les antiparticules respectives.)

Les autres particules élémentaires et leurs antiparticules sont instables au sens ordinaire du mot: elles se transforment spontanément en d'autres particules de masse inférieure. La loi de la désintégration radioactive s'applique , et sur la base de la désintégration radioactive , on parle de la désintégration des particules, d'autant plus qu'une particule en donne toujours lieu à deux ou trois autres. Cependant, les produits de désintégration n'étaient en aucun cas déjà présents dans la particule d'origine. Au contraire, il est détruit dans le processus de désintégration, tandis que les produits de désintégration sont régénérés. La durée de vie moyenne des particules élémentaires instables est comprise entre 2 · 10 ^-6 s (muon) et 4 · 10 ^-25 s (boson Z).

La stabilité des particules élémentaires telles que l'électron, ou des systèmes liés tels que le proton, le noyau atomique ou l'atome, est généralement expliquée dans le modèle standard par le fait qu'il n'y a pas de chemin de désintégration qui ne soit interdit par l'une des mesures de conservation générale. lois. Il découle de la loi de conservation de l'énergie que la somme des masses des produits de désintégration ne peut pas être supérieure à la masse de la particule ou du système en décomposition. Avec la loi de conservation de la charge électrique, il s'ensuit que l'électron et le positron sont stables car il n'y a pas de particules plus légères avec la même charge. Pour la stabilité du proton (et des autres noyaux, mais aussi de l'antiproton etc.) l'une des deux lois de conservation du nombre de baryon ou du nombre de leptons doit également être utilisée. Sinon, le positron (l'électron dans le cas d'une charge électrique négative) serait un produit de désintégration possible pour toutes les particules élémentaires chargées positivement. Cependant, les lois de conservation distinctes pour les quarks et les leptons sont annulées dans certains modèles théoriques au-delà du modèle standard. La stabilité du proton est donc vérifiée expérimentalement. Des désintégrations de protons n'ont pas encore été observées; la durée de vie moyenne du proton, si elle est finie du tout, est d'au moins 10 ³⁵ ans selon l'état actuel (2017) .

Propriétés de toutes les particules élémentaires

Ce qui suit s'applique dans le modèle standard:

Toutes les particules élémentaires peuvent être créées et détruites. En dehors de leur mouvement sans force dans l'espace, la création et l'annihilation sont les seuls processus auxquels ils participent. Ce sont donc aussi la base de toute interaction. Sinon, cependant, les particules sont totalement immuables dans leurs propriétés internes. En particulier, ils ne sont pas divisibles et n'ont pas d'états excités.
Toutes les particules élémentaires de même nature sont identiques ; H. indiscernable. Au mieux, on peut distinguer les états que prennent actuellement de telles particules. D'un autre côté, il est fondamentalement impossible de déterminer laquelle de plusieurs particules identiques avait ou sera dans un certain état à un moment plus tôt ou plus tard (voir Particules identiques ).
Toutes les particules élémentaires chargées ont des antiparticules qui sont exactement les mêmes dans toutes les propriétés, sauf qu'elles portent des charges opposées. Le photon de quatre particules élémentaires non chargées, le boson Z ⁰ , le boson de Higgs et deux gluons sont leurs propres antiparticules. Une particule et une antiparticule du même type peuvent s'annihiler. Rien d'autre que toute votre énergie, votre élan et votre moment cinétique sont conservés. Ceux - ci sont transférées aux particules nouvellement créées (voir annihilation paire , création de paire ).
Toutes les particules élémentaires apparaissent comme des points. Ils supposent uniquement des états dans lesquels ils ont une probabilité spatialement étendue de leur présence (voir fonction d'onde ). Avec l'augmentation de la dépense d'énergie, cependant, ce type d'expansion spatiale peut être poussé au-dessous de toute limite précédemment vérifiable sans aucun changement dans les propriétés internes de la particule. Avec l' électron , les expériences correspondantes sont les plus avancées et ont atteint la gamme 10 ^-19 m.
Toutes les particules élémentaires restent membres du même type de particule jusqu'à la prochaine interaction . Les neutrinos sont une certaine exception: un neutrino est créé sous la forme de l'un des trois types observables mentionnés ci-dessus, mais s'est partiellement converti en un autre de ces types par la prochaine interaction d'une interaction ( oscillation du neutrino ). Ce mélange périodiquement changeant des trois espèces observées s'explique par le fait qu'il existe théoriquement trois types de neutrinos immuables avec des masses différentes et précisément définies, tandis que les trois types de neutrinos observés sont trois certaines combinaisons linéaires mutuellement orthogonales de ceux-ci. À proprement parler, les trois espèces observées n'ont pas chacune une masse bien définie, mais une distribution de masse.
Les propriétés internes invariables de chaque particule élémentaire sont
- son énergie de repos ( masse ),
- son spin (moment angulaire intrinsèque, qui a toujours la même taille, peut-être aussi dans le système de repos de la particule. La valeur zéro ne s'applique qu'au boson de Higgs.)
- sa parité interne (définie comme positive pour les particules et négative pour les antiparticules)
- son nombre de lepton (valeur +1 pour chaque lepton, −1 pour chaque antilepton, zéro pour toutes les autres particules)
- son numéro de baryon (valeur (pour des raisons historiques) pour chaque quark, pour chaque antiquark, zéro pour toutes les autres particules) ${\ displaystyle + {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$
- sa charge électrique (si elle a la valeur zéro, la particule n'est pas impliquée dans l' interaction électromagnétique .)
- son isospin faible (si elle a la valeur zéro et que la particule n'a pas non plus de charge électrique, la particule n'est pas impliquée dans l' interaction faible .)
- sa charge de couleur (si elle a la valeur zéro, la particule n'est pas impliquée dans l' interaction forte .)

Génération et destruction comme base de tous les processus

Le modèle standard n'envisage que la création et la destruction de particules élémentaires comme processus possibles. Trois premiers exemples pour expliquer cette déclaration de grande portée:

Déviation d'un électron: Un simple changement dans la direction de vol d'un électron est résolu en un processus d'annihilation et de création: l'électron dans son état initial est annihilé et un électron avec l'élan dans la nouvelle direction est généré. Puisque les électrons sont des particules indiscernables, la question de savoir si «c'est toujours le même électron» n'a pas de sens. Néanmoins, ce processus est généralement paraphrasé linguistiquement de telle sorte que «l'électron» n'a fait que changer sa direction de vol. Le modèle standard n'autorise ce processus, qui combine annihilation et génération, que si une particule d'échange est également impliquée. Celui-ci est soit absorbé (détruit) soit émis (généré) et dans tous les cas a précisément des valeurs d'énergie et d'impulsion telles que les deux quantités sont globalement retenues. Les particules d'échange en question dans cet exemple sont le photon, le boson Z et le boson de Higgs. Tous les autres sont exclus: les gluons sont hors de question car l'électron est un lepton et donc ne porte pas de charge de couleur; Les bosons W sont exclus en raison de la stricte conservation de la charge électrique, car ils sont chargés; lorsqu'ils apparaissent ou disparaissent, leur charge devrait apparaître dans l'une des deux autres particules impliquées. L'électron a la même charge avant et après la déviation.
Désintégration d'un boson Z en une paire électron-positon: Un boson Z est détruit, un électron et un anti-électron (positron) sont générés. La charge électrique totale est conservée car la paire électron-positon est ensemble neutre, comme le boson Z d'origine.
Conversion d'un quark down en quark up: Le quark down est détruit, le quark up est généré, une particule d'échange doit être générée ou détruite. Dans ce cas, il doit non seulement compenser le changement (possible) de quantité de mouvement et d'énergie des quarks, mais également la conversion de la charge électrique de en . Cela signifie que seul le boson W avec le signe de charge correct entre en cause: s'il est généré, il a la charge , sinon . Ici encore, cette combinaison d'annihilation et de création de quarks est linguistiquement appelée la conversion d'un quark en un quark d'un type différent. (Ce processus est la première étape de bêta radioactivité Le émis W. ^- . Boson est pas stable, mais est détruit dans une deuxième étape de procédé, grâce à quoi une paire appropriée de fermions est généré dans la radioactivité bêta, il est un électron, le rayonnement bêta et un antineutrino électronique.) ${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$ ${\ displaystyle -1}$ ${\ displaystyle +1}$

Tous ces éléments sont des exemples de «sommet à trois voies», car trois particules sont toujours impliquées dans ces étapes élémentaires du processus, deux fermions et un boson chacune. Dans ce contexte, le mot sommet représente une certaine combinaison de processus de création et de destruction. Il provient du langage symbolique graphique des diagrammes de Feynman , dans lequel chaque particule est représentée par une ligne courte. Les lignes des particules impliquées dans un processus se rencontrent en un point commun, le sommet, où elles se terminent (pour l'annihilation) ou commencent (pour la création). Les lignes des fermions (y compris les antifermions) doivent toujours apparaître par paires, soit pour les leptons, soit pour les quarks, mais pas mixtes. La troisième ligne doit toujours décrire un boson. Les particules et les antiparticules doivent être impliquées de manière à ce que le nombre total de leptons ou de baryons soit conservé. Il existe également des sommets à 3 voies et des sommets à 4 voies avec uniquement des bosons. Pour les autres tailles qui doivent être conservées pour chaque sommet, voir la loi de conservation .

L'action d'un fermion sur un autre, par ex. B. la répulsion mutuelle de deux électrons est décrite comme un processus en deux étapes, c'est-à-dire avec deux sommets à 3 voies: dans un sommet, un électron génère un photon, qui est absorbé par l'autre électron dans l'autre sommet. On dit que les électrons échangent un photon, dont dérive le terme de particule d' échange . En général, toute interaction entre deux fermions consiste dans le fait que des particules d'échange sont échangées. Selon les règles de la théorie quantique des champs, la particule d'échange échappe à l'observation directe; cela reste une particule virtuelle . Indépendamment de cela, il transmet l'impulsion et l'énergie d'une particule à une autre et provoque ainsi z. B. le changement des directions de vol des particules. C'est un effet observable, car il est causé par une force de la physique classique .

Interactions et frais

Le modèle standard traite de trois interactions fondamentales :

La forte interaction vient de la charge de couleur . Seuls les quarks et les gluons portent une charge de couleur.
L' interaction électromagnétique est basée sur la charge électrique . Toutes les particules chargées électriquement, c'est-à-dire tous les quarks, la moitié des leptons, les deux bosons W y participent, ainsi que le photon , bien qu'il ne soit pas chargé.
L' interaction faible n'a pas de charge par analogie avec la charge électrique ou la charge de couleur. Toutes les particules dont l'isospin faible ou dont la charge électrique est différente de zéro y participent, c'est-à - dire toutes les particules à l'exception du gluon, du photon et du neutrino droitier .

La quatrième force de base, la gravité , agit sur toutes les particules élémentaires, puisque toutes les particules ont une énergie. En physique des particules, cependant, il est généralement laissé de côté en raison de sa faible résistance, d'autant plus qu'il n'y a toujours pas de théorie quantique de la gravité. Ainsi est z. B. le graviton , le champ quantique associé, jusqu'ici purement hypothétique.

Masse (énergie de repos)

Sur la base de l'équation d'Einstein E = mc ² , la masse d'une particule correspond à une valeur d'énergie, l' énergie de repos . Étant donné qu'en physique des particules, une énergie est généralement donnée en électron-volts (eV), l'unité de masse est eV / c ² . En règle générale, les unités naturelles sont utilisées , auquel cas le quotient «c ² » peut être omis de la spécification et la masse peut être spécifiée en eV.

Les masses des particules élémentaires vont de 0 eV / c ² ( photon , gluon ) à 173 GeV / c ² ( quark top ). Par exemple, la masse du proton est de 938 MeV / c ² , celle de l' électron de 0,511 MeV / c ² . Avec des valeurs d'au plus 1 eV / c ² , les neutrinos ont les masses non nulles les plus faibles. Dans le modèle standard , ils étaient initialement considérés comme sans masse jusqu'à ce que des oscillations de neutrinos soient observées en 1998 . De l'oscillation, on peut conclure que les trois types de neutrinos ont des masses différentes. Mais ils sont si petits que les valeurs exactes n'ont pas encore pu être déterminées.

Tourner

Toutes les particules élémentaires à l'exception du boson de Higgs ont un moment angulaire intrinsèque différent de zéro , également appelé spin. Cela ne peut se produire que dans des multiples entiers ou demi-entiers du quantum d' action et est appelé nombre quantique de spin de la particule. Le spin est une propriété intrinsèque des particules, sa quantité ne peut pas être modifiée, seule son orientation dans l'espace peut être modifiée. Les leptons et les quarks ont les particules d' échange , le boson de Higgs . En général, les particules à spin entier forment la classe de particules des bosons, celles à spin demi- entier forment la classe de particules des fermions. Les bosons peuvent être créés et annihilés individuellement, par ex. B. quanta de lumière individuels; Les fermions, par contre, n'existent que par paires en tant que particules et antiparticules. Pour d'autres conséquences de cette distinction fondamentalement importante, voir boson et fermion . ${\ displaystyle \ hbar}$ ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle J = {\ tfrac {1} {2}}}$ ${\ displaystyle J = 1}$ ${\ displaystyle J = 0}$ ${\ displaystyle J}$

Plus de nombres quantiques

D'autres nombres quantiques de quarks et de leptons caractérisent leur affiliation à l'une des six espèces et d'autres quantités conservées, par ex. B. isospin , Étrangeté , Baryon nombre , nombre leptonique . Les hadrons composites sont le symbole simplifié ou o. Ä. Dans lequel le nombre quantique des broches est nécessaire pour la parité , qui pour la parité G et la pour la conjugaison de charge . ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle S}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle I ^ {G} (J ^ {PC})}$ ${\ displaystyle J ^ {PC}}$ ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle P}$ ${\ displaystyle G}$ ${\ displaystyle C}$

Antiparticule

Il existe des antiparticules pour chaque type de particule. Dans certaines propriétés, la particule et l'antiparticule correspondante correspondent exactement, par ex. B. dans la masse, dans la quantité de spin, dans la vie. Ils diffèrent par le signe de tous les frais pour lesquels une loi de conservation s'applique. Cela concerne z. B. la charge électrique, la charge du baryon et du lepton. Par exemple, le proton est chargé positivement et l'antiproton est négatif.

Les particules sans ces charges retenues, à savoir le photon et le boson Z, sont leur propre antiparticule. Les neutrinos ne sont pas inclus, car ils ne sont qu'électriquement neutres, mais portent la charge de lepton positive sous forme de particules et la charge de lepton négative sous forme d'anti-particules. Les neutrinos ne sont donc pas identiques aux antineutrinos et se comportent différemment dans l'expérience. Les deux bosons W forment une paire particule-antiparticule. Un gluon est chargé d'une charge de couleur et d'une charge d'anti-couleur, de sorte que l'antigluon associé est déjà inclus dans le groupe des gluons.

Puisqu'une paire de particules et d'antiparticules prises ensemble est neutre vis-à-vis de chacune des charges obtenues, de telles paires peuvent surgir «de nulle part» tant que l'énergie nécessaire est disponible pour générer leurs masses ( formation de paires ). Par exemple, un photon (lepton numéro 0, charge électrique 0) peut devenir un lepton (lepton numéro 1, charge électrique -1) et un antilepton (lepton numéro -1, charge électrique +1). A partir d'une énergie minimale de 1,02 MeV, il s'agit d'une paire électron-positon, à partir de 212 MeV une paire muon-antimuon est également possible. La réaction inverse se produit également: alors que l'électron et le positron sont chacun stables en raison de la rétention du nombre de leptons ou de la rétention de la charge électrique, ils s'annihilent lorsqu'ils se rejoignent en nanosecondes ( annihilation ) et laissent derrière - sous la forme d'autres particules élémentaires appropriées - rien que leur contenu énergétique total, c'est-à-dire au moins 1,02 MeV, ainsi que - si ce n'est égal à zéro - leur moment total et leur moment angulaire total.