Modèle standard de la physique des particules

Fermions

Les fermions sont des particules qui s'assemblent pour constituer toute la "matière" que nous voyons. Le proton et le neutron sont des exemples de groupes de fermions. Les fermions ont des propriétés, telles que la charge et la masse, que l'on peut observer dans la vie de tous les jours. Ils ont également d'autres propriétés, telles que le spin, la charge faible, l'hypercharge et la charge de couleur, dont les effets n'apparaissent généralement pas dans la vie quotidienne. On attribue à ces propriétés des nombres appelés nombres quantiques.

Les fermions sont des particules dont le nombre de spires est égal à un nombre impair et positif multiplié par la moitié : 1/2, 3/2, 5/2, etc. On dit que les fermions ont un "spin demi-entier".

Un fait important concernant les fermions est qu'ils suivent une règle appelée le principe d'exclusion de Pauli. Cette règle stipule que deux fermions ne peuvent pas se trouver au même "endroit" en même temps, car deux fermions dans un atome ne peuvent pas avoir les mêmes nombres quantiques en même temps. Les fermions obéissent également à une théorie appelée statistique de Fermi-Dirac. Le mot "fermion" rend hommage au physicien Enrico Fermi.

Il existe 12 types de fermions différents. Chaque type est appelé "saveur". Leurs noms sont :

• Quarks - haut, bas, étrange, charme, haut, bas
• Leptons - électron, muon, tau, neutrino de l'électron, neutrino du muon, neutrino du tau. L'électron est le lepton le plus connu.

Les quarks sont regroupés en trois paires. Chaque paire est appelée une "génération". Le premier quark de chaque paire a une charge de 2/3, et le second quark a une charge de -1/3. Les trois types de neutrinos ont une charge de 0, tandis que l'électron, le muon et le tau ont une charge de -1.

La matière est faite d'atomes, et les atomes sont faits d'électrons, de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont constitués de quarks up et down. Vous pouvez trouver un lepton seul, mais vous ne pouvez jamais trouver de quarks seul. Cela est dû au fait que les quarks sont maintenus ensemble par la force de la couleur.

Une image des trois quarks dans un proton

Bosons

Les bosons sont le deuxième type de particules élémentaires dans le modèle standard. Tous les bosons ont un spin entier (1, 2, 3, etc.), de sorte que beaucoup d'entre eux peuvent se trouver au même endroit en même temps. Il existe deux types de bosons, les bosons de jauge et le boson de Higgs. Les bosons de jauge sont ceux qui rendent possibles les forces fondamentales de la nature. (Nous ne savons pas encore si la gravité agit par l'intermédiaire d'un boson de jauge.) Chaque force qui agit sur les fermions se produit parce que les bosons de jauge se déplacent entre les fermions, transportant la force. Les bosons suivent une théorie appelée statistique Bose-Einstein. Le mot "boson" rend hommage au physicien indien Satyendra Nath Bose.

Le modèle standard dit qu'il y en a :

• 12 fermions, chacun avec son propre antiparticule ;
• bosons de calibre 12 : 8 sortes de gluons, le photon, W+, W-, et Z ;

Ces particules ont toutes été observées soit dans la nature, soit en laboratoire. Le modèle prédit également l'existence d'un boson de Higgs. Le modèle indique que les fermions ont une masse (ils ne sont pas seulement de l'énergie pure) parce que les bosons de Higgs font des allers-retours entre eux. On pense que le boson de Higgs a été découvert le 4 juillet 2012. C'est la particule qui donne de la masse aux autres particules.

Forces fondamentales

Il existe quatre forces fondamentales connues de la nature. Ces forces affectent les fermions, et sont transportées par les bosons qui voyagent entre ces fermions. Le modèle standard explique trois de ces quatre forces.

• Une force puissante : Cette force maintient les quarks ensemble pour fabriquer des hadrons tels que les protons et les neutrons. La force forte est transportée par les gluons. La théorie des quarks, de la force forte et des gluons est appelée chromodynamique quantique (CDQ).
• La force résiduelle forte maintient les protons et les neutrons ensemble pour former le noyau de chaque atome. Cette force est portée par les mésons, qui sont constitués de deux quarks.
• Force faible : Cette force peut modifier la saveur d'un fermion et provoquer une désintégration bêta. La force faible est portée par trois bosons de jauge : W+, W-, et le boson Z.
• Force électromagnétique : Cette force explique l'électricité, le magnétisme et d'autres ondes électromagnétiques, dont la lumière. Cette force est transportée par le photon. La théorie combinée de l'électron, du photon et de l'électromagnétisme est appelée électrodynamique quantique.
• La gravité : C'est la seule force fondamentale qui n'est pas expliquée par le SM. Elle peut être transportée par une particule appelée graviton. Les physiciens recherchent le graviton, mais ils ne l'ont pas encore trouvé.

Les forces fortes et faibles ne sont visibles qu'à l'intérieur du noyau d'un atome. Elles ne fonctionnent que sur de très petites distances : des distances qui sont à peu près aussi grandes que la largeur d'un proton. La force électromagnétique et la gravité fonctionnent sur n'importe quelle distance, mais la force de ces forces diminue à mesure que les objets concernés s'éloignent les uns des autres. La force diminue avec le carré de la distance entre les objets concernés : par exemple, si deux objets sont deux fois plus éloignés l'un de l'autre, la force de gravité entre eux devient quatre fois moins forte (²²⁼⁴).

Limitations

Le modèle standard est loin d'être une théorie de tout. Il n'inclut pas la théorie complète de la gravitation telle que décrite par la relativité générale, ou ne tient pas compte de l'expansion accélérée de l'univers (telle que décrite éventuellement par l'énergie sombre). Le modèle ne contient aucune particule de matière noire qui possède toutes les propriétés observées dans la cosmologie d'observation. On pense que le SM est théoriquement cohérent. Il a démontré des succès énormes et continus dans les prédictions expérimentales, mais il laisse certaines choses inexpliquées.