Modèle standard des particules
Atome : noyau

L'atome (du grec " atomos ", insécable, notion introduite par Leucippe, reprise par Démocrite) est composé :

• 1. d'un noyau, de charge électrique positive ($e^+$), portée par les protons ;
• 2. d'électrons, de charge électrique négative ($e^-$).

Noyau

Le noyau, qui contient l'essentiel de la masse (99,97%), comprend des nucléons, qui font partie des baryons :

• les neutrons qui, comme leur nom l'indique, sont neutres,
• les protons de charge positive ($e^+$).

Leurs antiparticules sont l'antineutron et l'antiproton.

Nucléons

Dans le modèle standard des particules élémentaires, les protons et les neutrons sont des nucléons, fermions composés de 3 quarks, liés par l'interaction nucléaire forte portée par les gluons.

Les fermions (spin demi-entier) :

• suivent la statistique de Fermi-Dirac (théorème spin-statistique), qui décrit leur distribution statistique ;
• sont assujettis au principe d'exclusion de Pauli, qui interdit à tout fermion d'un système d'avoir exactement les mêmes nombres quantiques qu'un autre fermion du système.

Le proton et le neutron sont deux particules presque identiques, excepté leur charge électrique, ce qui a permi à Werner Heisenberg (1901-1976), en 1932, de déduire que le proton et le neutron sont deux états d'une même particule (le nucléon), dont la masse ne diffère que par l'interaction électromagnétique : cette variation est due à un nombre quantique " interne ", appelé isospin.

Neutron

Le neutron est formé d'un quark up (charge $+2/3$) et de deux quarks down (2 x 1 charge $-1/3$), ce qui le rend bien neutre.

1. Sa masse ($m_n$) est de $939,56542\;MeV/c^2\approx1,67493\times10^{-27}\;kg$.

• 

  Elle est 1,0014 fois plus importante que celle du proton.
• La somme de la masse de ses trois quarks de valence est d'environ 9,6 MeV/c² : le reste est attribué à l'énergie du champ des gluons (cf. masse des quarks).

James Chadwick (1891-1974) et Maurice Goldhaber (1911-2011) ont utilisé la photodésintégration suivante pour mesurer la différence de masse entre proton et neutron :

$^2_1D\;+\;\gamma\;\rightarrow\;^1_1He\;+\;n$.

2. Son nombre baryonique est égal à $1$ et sa charge de couleur est nulle : il est blanc, car formé de trois quarks de couleur différente.

3. Son spin et son isospin sont égaux à $1/2$.

4. Sa parité $\mathcal P$ est $+1$.

5. Sa durée de vie est ≈ 880 s.

La désintégration du neutron doit obligatoirement conserver le nombre baryonique et passer par l'interaction faible, appelée ici désintégration $\beta$, qui a plusieurs particularités :

$n\;\rightarrow\;p+e^-+\bar\nu_e$

• elle change la couleur des quarks : la désintégration d'un quark down, de charge $-1/3$, en un quark up, de charge $+2/3$, est réalisée par l'émission d'un boson $W^-$ ;
• elle viole la parité ou symétrie $\mathcal P$ et la symétrie $\mathcal C\mathcal P$, la symétrie $\mathcal C$ étant la conjugaison de charge (cf. brisures de symétrie) ;
• elle ne produit aucun état lié connu entre les particules (orbites, interaction…).

En astrophysique, le neutron peut être stabilisé par la gravitation dans les étoiles à neutrons extrêmement dense.

Proton

Le proton est formé de deux quarks up (2 x 1 charge $+2/3$) et un quark down (charge $-1/3$), ce qui lui donne bien une charge électrique ($e^+$).

1. Sa masse ($m_p$) est de $938,2721 MeV/c^2\approx1,67262\times10^{-27}\;kg$.

Sa taille n'est pas encore résolue à l'heure actuelle : $ 0,8418\;fm$ pour la taille de l'atome d'hydrogène muonique - dans lequel un muon remplace l'électron -, contre $0,877\;fm$ pour les mesures précédentes sans qu'on puisse expliquer pourquoi. Un femtomètre est égal à $10_{-15}m$.

2. Son nombre baryonique est égal à $1$ et sa charge de couleur est nulle : il est blanc, car formé de trois quarks de couleur différente.

3. Son spin et son isospin sont égaux à $1/2$.

4. Sa parité $\mathcal P$ est $+1$.

5. Sa durée de vie est infinie ou $\approx10^{34}\;ans$, c'est-à-dire supérieur à l'âge de l'univers ($13,77\pm0,059$ milliards d'années ou $4,34\times10^{17}$ s).

Les protons peuvent se transformer en neutrons par capture électronique, processus nécessitant un apport d'énergie.

• $u\;\rightarrow\;d+e^++\nu_e$.
• Ce processus est particulièrement important dans la formation des supernova.

Les nucléons n'interagissent pas par l'échange de gluons, car ils ne portent pas de charge de couleur : leurs trois quarks en sont pourvus, mais eux sont blancs.

Cette interaction attractive qui assure la cohésion du noyau dépend de l'échange de pions et garde ou non la nature des nucléons.

Nombres de nucléons

1. Le nombre atomique (Z) correspond au nombre de protons et définit l'identité de l'atome :

• 1 proton, l'atome d'hydrogène,
• 6 protons, l'atome de carbone…

2. Le nombre de neutrons (N) peut varier : on parle d'isotopes (même nombre de protons, nombre différent de neutrons).

• L'hydrogène a trois isotopes : l'hydrogène " classique " ¹H (1 proton, 0 neutron : 99,9885% dans la nature), le deutérium ²H (1 proton, 1 neutron) et le tritium ³H (1 proton, 2 neutrons).
• Le ¹²C, 98.93% dans la nature, est formé de 6 protons (qui définit le carbone - C -) et de 6 neutrons (6+6 = 12), le ¹⁴C, isotope radioactif à la base de la datation au carbone 14, est formé donc de 6 protons (C) et de 8 neutrons (6+8 = 14).

3. Le nombre de masse (A) représente le nombre de nucléons, c'est-à-dire la somme du nombre de protons (Z) et du de neutrons (N) constituant le noyau d'un atome (A=1 pour ¹H, A= 14 pour ¹⁴C).

Comme on connait le nombre de protons grâce à l'identité de l'atome, on peut donc déduire le nombre de neutrons grâce au nombre de masse ( ¹⁴C : C = 6 protons, donc x = 14 -6 = 8).

Les propriétés des noyaux sont dépendantes de ce nombre de masse suivant qu'il est pair ou impair.

• Les noyaux à nombre de masse impair sont moins stables que les autres.
• L'ajout de neutrons modifie le spin nucléaire et la forme du noyau dans les isotopes, ce qui modifie la section efficace, là celle des neutrons (neutron cross section), l'énergie des rayonnements - mesurée par la spectrométrie gamma - et la résonance magnétique nucléaire (RMN).

Dans le modèle standard, la section efficace est une grandeur physique reliée à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée (section efficace p : 71).

• 

  L'unité de section efficace est le mètre carré, mais le barn (b) est très souvent utilisé : 1 b=10⁻²⁴ cm²= 10⁻²⁸m² (surface d'un carré de dix femtomètres de côté, i.e. diamètre d'un noyau atomique).
• Dans un processus classique (par exemple, la lumière qui éclaire un objet) elle correspond à la surface perpendiculaire au flux des projectiles qui décrit la zone d’interaction autour de la cible.

Ajouter abitrairement des nucléons à un noyau ne conduit pas nécessairement à un noyau stable.

• Il pourra alors émettre soit un neutron, soit un proton.
• Le nucléon a " coulé " en dehors du noyau (drpped en anglais), d'où le terme de drip line ou limite de stabilité.

Forces intervenant 
 dans le noyau

Les nucléons sont sensibles à toutes les forces fondamentales :

1. L'interaction nucléaire forte assure la cohésion des nucléons dans le noyau par l'interaction entre quarks et gluons.

La version quantique de l'interaction forte s'appelle chromodynamique quantique (QCD).

2. L'interaction électromagnétique assure la cohésion de l'atome, c'est-à-dire les forces entre électrons et noyau atomique.

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

3. L'interaction faible (interaction nucléaire faible ou force faible) est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques.

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

4. la gravitation est responsable de la force entre deux objets due à leur énergie.

Structure nucléaire

Les modèles de structure nucléaire les plus connus sont :

• le modèle de la goutte liquide,
• le modèle en couches,
• le modèle du champ moyen qui sera juste évoqué.

Électrons