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La matière aujourd-hui 1

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Quarks et neutrinos

Jusqu'en 1964, on croyait qu'il n'existait que trois particules élémentaires constitutives de l'atome: l'électron, le proton et le neutron.
Cependant, de nombreuses particules instables (de durée de vie de l'ordre de 10^-23 secondes) avaient été détectées soit dans le rayonnement cosmique, soit dans les chocs de haute énergie créés dans les accélérateurs de particules construits après la guerre de 39-45.
 

Les accélérateurs de particules

Ces accélérateurs, encore nommés collisionneurs, sont d'énormes machines très onéreuses qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres de longueur. Le but est d'y accélerer des particules chargées (électrons, protons, ions) à des vitesses frôlant celle de la lumière!
L'énergie atteinte par ces particules est énorme (vu leur vitesse) et des particules-sondes sont ainsi projetés sur des particules-cibles: cela permet d'étudier les conséquences des chocs ainsi provoqués. L'énorme énergie de ces chocs peut être convertie en de nouvelles particules. Plus l'énergie de collision est élevée, plus les nouvelles particules créées seront massives et renseigneront les physiciens sur les constituants ultimes de la matière.

Les accélérateurs peuvent être actuellement de deux types:

• les synchrotrons ou accélérateurs circulaires dont le plus grand est le LEP (Large Electron Positron ring) du CERN (Centre d'Etude et de Recherche Nucléaire) à Genève. Visitez son site web.
• Les Linacs ou accélérateurs linéaires dont le plus célèbre est le SLC de Stanford en Californie. Visitez le.

Pour plus d'infos sur les accélérateurs, allez au CERN en cliquant sur son logo:

Les quarks
 

Découverte:

Il était devenu clair, au début des années 60, que les très nombreuses particules (plus de 300) détectées dans les collisionneurs avaient peu de chances d'être élémentaires.

Enoncée pour la première fois en 1964 par Murray Gell-Mann et indépendamment par George Zweig, la théorie des quarks acquit ses lettres de noblesse au fur et à mesure qu'elle fut corroborée par les expériences; Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement.

Le nom bizarre de Quark provient d'une phrase du roman de James Joyce "Finnegans Wake": Three Quarks for Muster Mark!: Trois Quarks pour Monsieur Mark!

Les quarks sont les composants des nucléons. Il en existe deux types dans la matière ordinaire.
 

Pourquoi des charges Q ainsi fractionnaires? Car les nucléons sont toujours formés de 3 quarks:
 

La taille des quarks est théoriquement ponctuelle, mais en réalité elle est inférieure à 10^-18 m; soit au moins mille fois plus petite que la taille d'un nucléon qui est de 10^-15 m.

Les quarks, comme les nucléons, sont des fermions de spin J = 1/2 et sont liés entre eux par une force appelée interaction forte (la même qui lie les nucléons entre eux).
 

Les quarks ont une propriété unique: ils sont incapables d'exister seuls, non accompagnés!
Il est absolument impossible d'observer un quark isolé; les quarks ne peuvent s'aggréger que de deux maniéres différentes et ne donner ainsi que deux familles de particules composites:

• 
• les baryons qui sont toujours formés d'un triplet de quarks. Les nucléons sont les baryons les plus courants. Il existe d'autres triplets formés de quarks plus exotiques (voir le modèle standart) et plus lourds; d'où l'origine du mot baryon (du grac "barus" = lourd). Ces baryons plus lourds que les nucléons sont désignés par des lettres grecques (particules lambda, sigma, delta etc..) et sont regroupés dans la famille des hyperons.

• 
• les mésons qui sont des paires de quark et d'antiquark (voir antimatière). Ces particules très instables sont également désignées par des lettre grecques (pions, kaons, Êta...).

Nous voilà donc arrivé aux confins actuels de la structure du noyau : 2 sortes de quark formant protons et neutrons et 1 électron. En réalité, il manque une autre particule de matière (ou fermion) fondamentale à notre jeu de Lego:
 

Le neutrino
 

Cette particule fondamentale fut "inventée" en 1930 par Wolfgang Pauli (encore lui!) pour expliquer le mécanisme de la radioactivité Bêta: un neutron se transforme en un proton en émettant un électron (rayon bêta) et une autre particule mystérieuse que le physicien italien Enrico Fermi baptisa en 1933 "neutrino"; ce qui signifie en italien "petit neutron".

Ce n'est qu'en 1956, après une expérience concluante que Frederick Reines et Clydes Cowan mettent en évidence le neutrino. Les deux scientifiques ont installé un détecteur de neutrinos à proximité du réacteur nucléaire de Savannah River, en Caroline du Sud.

Le neutrino a une charge Q nulle et il est 50.000 fois plus petit qu'un électron.
Sa masse extrêmement faible n'a été détectée que le 5 Juin 1998 au Japon! La mesure de cette masse pourrait avoir une importance capitale pour le destin de l'Univers: Selon le modèle cosmologique actuel, l'univers est né d'une gigantesque explosion, le Big Bang. Il va ainsi continuer à se diluer indéfiniment à moins qu'il n'ait sufisamment de masse pour pouvoir se recontracter en un Big Crunch. Cette masse manquante de l'Univers pourrait se trouver dans les neutrinos très nombreux du Cosmos.
Voilà comment une particule infiniment petite peut avoir un pouvoir énorme sur le destin de l'infiniment grand!
Cette particule discrète n'interagit que très peu avec la matière: Il ne faudrait pas moins qu'une épaisseur d'une année-lumière de plomb pour arrêter  la moitié des neutrinos qui tenteraient de la traverser!

Les neutrinos sont abondamment produit par les étoiles dont notre Soleil: a chaque seconde, des centaines de milliards de neutrinos solaires peuvent traverser la Terre et notre corps sans subir le moindre choc! D'où la difficulté extrême à les détecter...

Le neutrino et l'électron, particules légères, sont regroupés dans la famille des leptons (du grec "leptos" = léger).
L'ensemble des deux leptons et des deux quarks u et d  sont donc les briques de notre monde habituel.
 
 

Est-ce tout ?
Non !
Il existe un univers mirroir où la matière se transforme en anti-matière...