• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Modèle standard des particules
Interactions fondamentales ou élémentaires

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie

Quatre interactions élémentaires ou fondamentales, se manifestant chacune par une force dite fondamentale, sont responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l'Univers :

En physique classique, (mécanique classique, électromagnétisme, thermodynamique) jusqu'à la fin du XIXeme siècle, ces forces étaient considérées comme des axiomes, i.e. propositions indémontrables utilisées comme fondement d'un raisonnement.

Les quatre  fondamentales
Les quatre fondamentales
(Figure : vetopsy d'après Observatoire de Paris / U.F.E.)

En mécanique quantique, les fondamentales s'effectuent via un échange de particules qui représentent des quanta d'énergie-impulsion (loupeobservatoire de Paris).

bien

Les bosons de jaugespin $1$ - sont ces vecteurs de force et servent de "  colle " pour lier la matière, sauf la graviton, particule hypothétique de la gravitation.

Les particules élémentaires qui constituent la matière (leptons et quarks) sont des fermions spin $1/2$ -.

Vue d'ensemble des
élémentaires

L'intensité d'une interaction est donnée par une constante de couplage (" coupling constant " en anglais) ou paramètre de couplage de jauge :

  • ce sont des nombres sans dimension qui font partie des paramètres libres du modèle standard,
  • i.e. dont les valeur ne peuvent être prédites par la théorie, mais seulement déterminées par des résultats expérimentaux.

Interaction nucléaire forte

Au départ, avant la découverte des quarks, l'existence de cette force avait été postulée car on ne comprenait pas comment le noyau pouvait rester compact, car les protons, chargés positivement, devraient se repousser par la force électromagnétique.

Échanges de gluons et de pions
Échanges de gluons et de pions
(Figure : Manihearth)

L'interaction nucléaire forte assure la cohésion de la matière ordinaire.

Cette force est appelé " forte " car elle est 137 fois plus intense que celle de l'électromagnétisme, 106 fois celle de l'interaction faible et 1038 fois celle de la gravitation.

bien

Ses particules sont les 8 gluons ($g$).

1. La force de couleur, en confinant les quarks (ou confinement des couleurs) dans les dans leshadrons (baryons comme les nucléonsneutron et proton - et mésons), agit à petite échelle, moins de 0,8 femtomètre (fm), environ le rayon d'un nucléon.

2. La force nucléaire (ou force forte résiduelle), force de liaison entre neutrons et protons est utilisée pour la cohésion des noyaux atomiques, à plus grande échelle, 1 à 3 fm.

On l'appelle force résiduelle, car c'est la force qui " reste " après que la force de couleur ait été utilisée pour le confinement des quarks.

  • Force entre deux nucléons
    Force entre deux nucléons en fonction
    de la distance
    (Figure : vetopsy.fr d'après Bdushaw)
    Cette force est, contrairement à la force de couleur qui augmente avec la distance, est de très courte portée et diminue exponentiellement avec la distance (cf. potentiel de Yukawa).

Sur la figure, on voit que la force attractive (négative) est maximale (25 000 N) pour une distance de 0,8 fm.

Cette force forte résiduelle agit indirectement par la transmission de gluons : il ne peut pas y avoir d'échange de gluon entre les nucléons puisqu'ils n'ont pas de charge de couleur (cf. interactions entre nucléons).

Interaction électromagnétique

James Clerk Maxwel
James Clerk Maxwel (1831-1879)

L'interaction électromagnétique explique l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques et biologiques (cohésion des êtres vivants).

bien

Sa particule est le photon $\gamma$.

C'est James Clerk Maxwell (1831-1879), en 1873, qui unifia les phénomènes électriques et magnétiques dans sa théorie de l'électromagnétisme.

En 1931, Paul Dirac (1902-1984) prédit l'existence de monopôles magnétiques, particules qui porteraient une charge magnétique ponctuelle, au contraire des aimants habituels qui possèdent deux pôles magnétiques opposés.

  • Les monopôles magnétiques rendent symétriques les équations de Maxwell, ce qui complète la théorie de l'électromagnétisme, et explique la quantification de la charge électrique.
  • La mécanique quantique impose à toute charge électrique $q_e$ et $q_m$ de vérifier la relation suivante : $q_eq_m=2\pi n\hbar$, ce qui permet de prédire que pour une charge magnétique unique, on peut trouver une quantification d'une charge électrique.
  • Toutefois, ces monopôles seraient très massifs, ce qui interdit leur production dans un accélérateur de particules. Ils pourraient toutefois exister « à l’état de reliques des phases très primitives de l’Univers, quand les énergies des autres particules étaient suffisamment élevées pour en créer. » (futura science).
Dirac et   Feynmann
Paul Dirac (1831-1879) et
Richard Feynmann (1918-1988)

Cette force électromagnétique assure :

La version quantique de l'électromagnétisme s'appelle électrodynamique quantique (QED), qui postulent que les charges électriques interagissent par échange de photons.

Interaction faible

L'interaction faible - interaction nucléaire faible ou force faible - (cf. chapitre spécial) est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles.

Bosons
Bosons
(Figure : vetopsy.fr)

Ses particules sont les 3 bosons de jauge ($Z_0,\;W^\pm$).

bien

On peut unifier les faible et électromagnétique sous l'appelation d'interaction électrofaible décrite par le modèle de Glashow-Weinberg-Salam en 1967.

Le boson de Higgs, découvert en 2012, confère

Gravitation

La gravitation (cf. chapitre spécial) est une force un peu spéciale d'après les lois de Newton :

  • Force de gravitation
    Force de gravitation
    (Figure : vetopsy.fr)
    attractive,
  • agissant sur une distance infinie,
  • ne pouvant pas être annulée : elle existe partout.

Cela pose un problème à Albert Einstein (1879-1955) qui crée alors la relativité générale (cf. chapitre spécial).

Conclusion : Le modèle standard reste un modèle.

  • La découverte du boson de Higgs a boosté certains d'entre eux et ouvre la voie à une nouvelle physique (cf. développements).
  • Les scientifiques espèrent toujours trouver la théorie du tout qui désigne la théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des interactions fondamentales et qui permettrait de découvrir cette " superforce " (loupevers l'univers des en physique).

Comment expliquer que les interactions 
  soient portées par des particules ?

Bibliographie
  • Pas de bibliographie disponible