NOMBRES - Curiosités, théorie et usages

 

Accueil                           DicoNombre            Rubriques           Nouveautés      Édition du: 18/10/2016

Orientation générale        DicoMot Math          Atlas                   Références                     M'écrire

Barre de recherche          DicoCulture              Index alphabétique                               

     

Physique nucléaire

 

Débutants

Général

PARTICULES

 

Glossaire

Atome

 

 

INDEX

Particules

 

Introduction

Électrons

Nucléons

Nomenclature

Neutrinos

Quarks

Caractéristiques

Unification

Forces

Masse

Atome

Molécule

 

Sommaire de cette page

>>> Pour s'y retrouver

>>> Tailles atomiques & énergies

>>> Modèle standard – Présentation

>>> Modèle standard – Particules

>>> Modèle standard – Forces

>>> Modèle standard – Bilan

>>> Historique

>>> Longueur d'onde de Compton

 

 

 

 

Les particules obéissent aux lois de la mécanique quantique.

"Elles sont toutes cinglées de la même façon."

Richard Feynman

Voir Pensées & humour

 

 

PARTICULES

DU MODÈLE STANDARD

 

 

Une familiarisation avec le bestiaire des particules atomiques.

 

Le sujet est vaste! Pour connaître les autres rubriques

relatives à la physique nucléaire: Voir INDEX

 

 

 

POUR S'Y RETROUVER

 

Une nomenclature très simplifiée (Mais qui donne l'essentiel)

 

 

*      Neutrons et protons forment le noyau de l'atome; ce sont les nucléons.

L'électron gravite autour du noyau.

 

*      Le "bestiaire" des particules est un peu plus vaste que celui présenté ci-dessus. Mais les autres particules sont éphémères.

Voir nomenclature

 

 

 

TAILLES ATOMIQUES & ÉNERGIES

 

Tailles

Entité

Taille (m)

Énergie

*      QUARK

10-18

10 à 100 TeV

*      ÉLECTRON

< 10-17

 

*      NEUTRON / PROTON

10-16

1 GeV

*      NOYAU

10-15

 

*      NOYAU – Épais

10-14

100 MeV

*      ATOME – Léger (Hydrogène)

10-10

 

*      ATOME – Lourd (Uranium)

4 x 10-10

1 eV

*      MOLÉCULE

> 10-10

 

*      MOLÉCULE Atome large

10-8

0,1 eV

 Voir Petits nombres

 

Comparaisons

*      Si l'atome avait un mètre de diamètre, son noyau ne serait pourtant pas plus gros qu'un minuscule grain de poussière de 1/10 mm. C'est cela le vide de l'atome.

 

*      Si tous les atomes de mon corps devaient se rassembler jusqu'à se toucher, je ne serais plus visible à l'œil nu. J'aurais la taille d'une infime poussière de quelques millièmes de millimètre à peine.

 

*      Si l'atome était une sphère creuse, il pourrait contenir 1015 noyaux.
Une tête d'épingle remplie de noyaux pèserait 100 000 tonnes.

 

Suite

*      Certains scientifiques postulent l'existence de particules encore plus petites: les préons.

                         Préons              10-20 m     10 TeV

 

 

Rappel

1 eV (électronvolt):

Énergie reçue par l'électron en passant du – au + d'une pile de 1 volt.

Énergie qu'acquiert une particule dans un milieu porté à 10 000 degrés.

 

 

 

 

 

Modèle standard – Présentation

 

Le modèle standard de la physique des particules

en abrégé "modèle standard".

*           Théorie qui explique les phénomènes à l'échelle des particules.
Il s'applique aux particules connues et aux trois interactions: l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Il explique tous les phénomènes naturels sauf la gravitation.

*           Le modèle standard est une théorie à la fois quantique et relativiste. Il prédit aussi l'existence du boson de Higgs: particule qui permet d'expliquer la masse. Cette particule n'a pas encore été découverte.

 

*           Le modèle standard est apprécié car il est (relativement) simple. En effet, il explique que toutes les particules observées peuvent être obtenues à partir de 12 constituants élémentaires:

6 leptons, et leurs antiparticules

6 quarks, et leurs antiparticules

et des particules messagères

 

Deux sortes de particules

*           Il y a 2 sortes de particules :

*      Les particules qui sont de la matière,
Comme les électrons, les protons, les neutrons ou les quarks:

Les neutrons et les protons (les nucléons) sont composés de particules élémentaires appelés quarks.

 

*      Et les particules messagères qui véhiculent les forces,
Comme les photons.

Chaque type de force est "véhiculé" par une particule messagère. Le photon, par exemple, pour la force électromagnétique

  

Modèle Standard en résumé

*           Particules messagères de force: chaque type d’interaction est véhiculé par une particule.

*           Particules de matière: la plupart des particules que nous connaissons sont constituées de quarks et de leptons.

 

*           Six leptons

*      trois ayant une charge électrique négative: électron, muon et tau;

*      trois sans charge électrique: les neutrinos;

*      à chaque lepton chargé, un neutrino.

*       

*           Les neutrinos ont une masse très faible et ne sont pas chargés; Peu d'interactions avec les autres particules.

 

*           À chaque lepton est associé un antilepton

Même masse, charge opposée. Ensemble, ils s’annihilent pour libérer une quantité formidable d'énergie.

 

 

 

 

 

Modèle standard – Particules

 

12 particules "MATIÈRES"

D'après  L'aventure des particules

 

*           Chaque colonne forme une famille.

*           L'électron et les deux quarks Up et Down forment la matière stable habituelle. C'est-à-dire pratiquement tout l'Univers.

*           Le quark se présente en trois couleurs: soit 3 x 6 = 18 quarks.

*           Avec les antiparticules, on compte:

(18 + 6) x 2 = 48 particules de matière.

 

Voir Ce tableau avec caractéristiques

 

 

 

Famille 1

Leptons

*    ÉLECTRON

e

*    Neutrino Électronique

 e

Quarks

*    Up

u

*    Down

d

*           LA MATIÈRE: toutes les particules du monde qui nous entoure appartient à ce groupe.

 

 

Famille 2

Leptons

*    MUON

*    Neutrino Muonique

 

Quarks

*    Charmed

c

*    Strange

s ou e

*           Ces particules ont existé après le Big Bang. Maintenant, on les trouve seulement dans les rayons cosmiques et les accélérateurs.

 

 

Famille 3

Leptons

*    TAU

*    Neutrino Tauique

Quarks

*    Top

t

*    Bottom

b

*           Ces particules ont existé après le Big Bang. Maintenant, on les trouve seulement dans les rayons cosmiques et les accélérateurs.

 

 

Modèle standard – Particules

 messagères de force

 

*           Les particules régissant les interactions entre les particules de "matière" sont les bosons de jauge. Elles sont 12 + 1?

 

*    Électromagnétisme

1

Photon

*    Interaction faible

3

Bosons 

W- W+ Z0

*    Interaction forte

8

Gluons

 

*    Gravité

 1

Graviton ?

 

 

*           Toutes les forces respectent la symétrie, sauf l'interaction faible qui viole la parité. La symétrie entre le monde et l'antimonde n'est pas respectée.

 

 

 

Modèle standard – Particules – Bilan

 

TOTAL particules

 

*    Matières

48

 

*    Interactions

12

Certains prévoient des bosons semblables au W et Z, mais plus massifs.

*    Graviton ?

1

Expliquant la gravité (hypothèse).

*    Boson de Higgs ?

1

Expliquant la masse  (hypothèse)
Sa masse se situerait autour de 160 GeV (de 120 à 190?). Sa traque a commencé au LHC.

 

 

 SUSY

*           Une des théories modernes (la Supersymétrie ou Susy) double pratiquement toutes les particules pour retrouver une symétrie.

Les fermions de spin ½ sont doublés de fermions de spin 1.

Les bosons de spin 1 sont doublés de particules de spin ½.

Sélectron, sleptons, squarks, gluinos, photinos, wuinos, zinos

 

Voir Théorie des cordes

 

 

HISTORIQUE – Date de la découverte

 des douze particules

 

Atome

                                    Atome               1805

                                    Électron            1891

                                    Proton               1919

                                    Neutron            1932

 

Particules

 

Famille 1

Famille 2

Famille 3

LEPTONS

ÉLECTRON

1897

MUON

1946

TAU

1975

Neutrino Électronique

1956

Neutrino Muonique

1962

Neutrino

du Tau

2000

QUARKS

Up

1968

Charmed

1974

Top

1994

Down

1968

Strange

1968

Bottom

1977

 

 

Principales découvertes

 

Voir Histoire de la mécanique quantique

 

 

 

HISTORIQUE – Chronologie

 

 

 

Atome

 

Démocrite en l’an 400 av. J.C.

*           L’univers est fait de vide et de particules invisibles, les atomes, qui diffèrent les unes des autres par leur forme, leur position et leur arrangement.

Voir Détails

 

 

Quelques siècles plus tard

 

Vers 1900

*           Atomes vus comme des sphères dures.

*           Détection de familles dans le tableau périodique de Mendeleïev: idée que les atomes ne sont pas fondamentaux, ils peuvent être encore divisés.

*           Expériences de Geiger et Marsden sous la supervision de Rutherford: atomes composés d'un noyau dense positif entouré d’un nuage électronique.
Protons: Rutherford en 1919
Rutherford:  les atomes possèdent un noyau très petit mais très dense.
Neutrons: Chadwick en 1931.

 

Vers 1930

*           Bonne idée de la structure de la matière.

*           Les protons, les neutrons et les électrons constituent les briques élémentaires de toute matière.Il manque une explication des forces de cohésion de cette matière. On utilise un nouvel instrument pour faire des observations dynamiques: l'accélérateur de particules.
Un peu comme avec la lunette astronomique, les physiciens découvrent un monde beaucoup plus copieux que ce qu'ils pensaient.

 

Vers 1960

*           Déjà une centaine de particules avaient été identifiées. Que faire de tout cela? Et, en prime, aucune explication nouvelle concernant les forces fondamentales !

 

 

En 1964, Modèle Standard

*           Murray Gell-Mann et George Zweig indépendamment expliquent que toutes ces nouvelles particules, et les classiques, sont explicables en les décomposant en  quarks. Ainsi baptisées par Gell-Mann.

*           Les physiciens développent le Modèle Standard pour décrire la matière et les forces de l’univers. Avec quelques particules et interactions de base, cette théorie explique toutes les particules et leurs interactions complexes, et cela, avec une précision époustouflante.

 

Au-delà

*           Ce que le Modèle Standard explique, il l'explique très bien, mais la gravitation est absence de la théorie. De même que l'explication de la masse. Elle n'explique pas non plus pourquoi trois familles de fermions.

*           Une théorie ultime devrait donner des réponses à ces questions et, unifier les forces:

Théorie de la Grande Unification

ou Théorie du Tout

 

*           Les physiciens ont encore du pain sur la planche

 

 

Quarks et Mésons

 

Jusqu'en 1974

*           Les 3 quarks u, d et s  suffisaient pour expliquer tous les hadrons.

 

En 1974

*           Brookhaven (USA) et Stanford (USA): on observe des résonances mésoniques lourdes (3,1 et 3,7 GeV) relativement stables (10- 19 s).

*           Implique un 4e quark plus lourd, dit charme ou quark charmé. Il était prévu par certaines théories.

 

En 1977

*           Nouvelle résonance mésonique très lourde (9,5 GeV): 5e quark.
Encore plus lourd baptisé bottom

 

En février 1994

*           Au Fermilab: 6e quark: top

 

Voir Histoire de la mécanique quantique

 

 

 

 

LONGUEUR D'ONDE de COMPTON

 

*    3 10-13 = 300 fermi  Zone maximum de localisation d'un électron.

 

*    À toute particule de masse m, la physique quantique assigne une longueur d'onde de Compton qui est la distance minimale de localisation possible d'une particule.


 

300 fermi

= 3 10-13 m

*    Zone* maximum de localisation d'un électron.

1/100 du rayon de l'atome d'hydrogène.
* rayon de la zone.

0,1 fermi =

*    Zone* maximum de localisation du proton.

 

*    Zone qui diminue lorsque la masse croît.

10-10 fermi

 = 10-25 m

*    Zone* maximum de localisation d'une balle de tennis.

 

 

 

 

 

 

 

Suite

*    Électrons

*    Autres pages

*    ParticulesIndex

Voir

*    Accélérateur

*    Atome

*    Atomes dans l'univers

*    Atomes lourds

*    Cordes

*    Éléments chimiques

*    Masse des particules

*    Mécanique quantique

*    Planck

Livre

*    Higgs, le boson manquant – Sean Carrroll – Belin: pour la science – 2013

Sites

*      L'aventure des particules

*      Matière à réflexion

*      Voyage au cœur de la matière…

*      Explorez l'Atome

*      Échelle du temps de la Physique des Particules

*    Schrödinger & Bohr Atomic ModelsAnimations

Cette page

http://villemin.gerard.free.fr/Science/PaIntro.htm