Modèle standard (physique des particules)

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Modèle standard des particules élémentaires avec les trois générations de fermions, les bosons de jauge (quatrième colonne) et le boson de Higgs (cinquième colonne).

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui concerne l'électromagnétisme, les interactions nucléaires faible et forte, et la classification de toutes les particules subatomiques connues. Elle a été développée pendant la deuxième moitié du XXe siècle, dans une initiative collaborative mondiale, sur les bases de la mécanique quantique. La formulation actuelle a été finalisée au milieu des années 1970 à la suite de la confirmation expérimentale des quarks. Depuis, les découvertes du quark top (1995), du neutrino tauique (2000) et du boson de Higgs (2012) ont donné encore plus de crédibilité au modèle standard. Toutes les particules du modèle standard ont désormais été observées expérimentalement. Par son succès à expliquer une large variété de résultats expérimentaux, le modèle standard est parfois vu comme une « théorie de presque tout ».

C'est une représentation qui s'applique à des objets quantiques et qui tente d'expliquer leurs interactions. Elle est bâtie sur le triptyque particule, force, médiateur, c'est-à-dire qu'elle distingue des familles de particules par les forces auxquelles elles sont sensibles, chaque force s'exerçant au moyen de médiateurs échangés par les particules qui y sont soumises. Ces médiateurs sont connus comme étant des bosons, alors que les particules constituant la matière sont appelés fermions (quarks et leptons).

Le modèle standard possède en 2016 19 paramètres libres pour décrire les masses des trois leptons, des six quarks, du boson de Higgs et 8 constantes pour décrire les différents couplages entre particules. La valeur de chacun de ces paramètres n'est pas fixée par des principes premiers, elle doit être déterminée expérimentalement.

Pour les théoriciens, le modèle standard est un paradigme de la théorie quantique des champs, qui met en œuvre un large spectre de phénomènes physiques. Il est utilisé pour bâtir de nouveaux modèles qui incluent des particules hypothétiques, des dimensions supplémentaires ou des supersymétries.

Histoire[modifier | modifier le code]

L'idée que toute matière est composée de particules élémentaires remonte au moins au VIe siècle av. J.-C.[1]. Au XIXe siècle, John Dalton, au travers de ses travaux sur la stochiométrie, conclut que chaque élément de la nature était composé d'un seul et unique type de particule[2]. Le mot atome, d'après le mot grec ἄτομος, atomos (« indivisible »), renvoie à la plus petite particule d'un élément chimique depuis lors, mais les physiciens découvrirent bientôt que les atomes ne sont pas, en fait, les particules fondamentales de la nature, mais un conglomérat de plus petites particules, tels que les électrons. Les explorations du début du XXe siècle en physique nucléaire et en physique quantique culminèrent avec la découverte de la fission nucléaire en 1939 par Lise Meitner (fondée sur des expériences de Otto Hahn) et de la fusion nucléaire en 1932 par Mark Oliphant ; les deux découvertes ont aussi conduit au développements des armes nucléaires. Le développement des accélérateurs de particules après la Seconde Guerre mondiale, a permis, tout au long des années 1950 et 1960, de découvrir une grande variété de particules lors d'expériences de diffusion profondément inélastique. Il était alors question de « zoo de particules ». Ce terme est tombé en désuétude après la formulation du modèle standard durant les années 1970 dans lequel le grand nombre de particules a été expliqué comme des combinaisons d'un relativement faible nombre de particules.

Vue d'ensemble[modifier | modifier le code]

À ce jour, la matière et l'énergie sont mieux comprises en termes de cinématique et d'interaction des particules élémentaires. Jusqu'ici, la physique avait réduit les lois régissant le comportement et l'interaction de toutes les formes connues de matière et d'énergie à un petit nombre de lois fondamentales et de théories. Un des objectifs principaux de la physique est de trouver une base commune unifiant toutes ses théories dans une théorie du tout, dans laquelle toutes les autres lois connues seraient des cas particuliers.

Limites de la théorie[modifier | modifier le code]

Bien que le modèle standard soit considéré comme une théorie autonome et cohérente, et qu'il ait eu beaucoup de succès en fournissant des prédictions expérimentales (symétrie CP ou le problème de la hiérarchie), il laisse plusieurs phénomènes inexpliqués et ne peut prétendre être une théorie du tout. Il n'apporte ainsi pas de justification théorique à la gravitation, telle que la décrit la relativité générale, ni ne rend compte de l'accélération de l'expansion de l'univers (qui pourrait être expliquée par une énergie sombre). Ce modèle ne contient non plus aucune particule qui pourrait composer la matière noire, possédant toutes les propriétés requises par les observations cosmologiques. Il ne décrit pas non plus correctement l'oscillation des neutrinos ni leur masse.

Particules élémentaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Particule élémentaire.

Le modèle standard inclut les membres de plusieurs classes de particules élémentaires (les leptons, les quarks, les bosons de jauge, et le boson de Higgs), qui peuvent à leur tour être différenciées par d'autres caractéristiques, telles que leur charge de couleur.

Fermions[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Fermion, Lepton et Quark.

Le modèle standard inclut douze particules élémentaires de spin ½ (spin demi-entier), qui sont donc des fermions. Selon le théorème spin-statistique, les fermions respectent le principe d'exclusion de Pauli. À chaque fermion correspond une antiparticule.

Les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et ne peuvent pas coexister entre eux dans le même état quantique (sur la même orbitale atomique par exemple).

Les fermions élémentaires se répartissent en leptons et en quarks, suivant trois générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. Seules les particules de première génération forment la matière ordinaire. En effet, les particules de deuxième et troisième générations sont instables et se désintègrent rapidement en particules de première génération, plus légères.

Bien qu'élémentaires, les quarks ne peuvent exister isolément. Ils sont regroupés dans des hadrons qui se présentent sous forme de paires quark-antiquark (les mésons), ou de trios de quarks (les baryons). Par exemple, les protons sont formés de deux quarks up et d'un quark down, tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux quarks down.

Les tableaux ci-dessous regroupent les différents leptons et quarks par génération. Pour ne pas surcharger ce tableau, les antiparticules n'y sont pas représentées. La charge électrique y est indiquée en charges élémentaires.

Première génération[modifier | modifier le code]

Particule
Notation
Charge électrique
Charge forte (charge de couleur)
Masse
Spin
Électron e -1 511 keV/c2 1/2
Neutrino électronique νe 0 < 225 eV/c2 1/2
Quark Up u 2/3 rouge, vert, bleu ~ 3 MeV/c2 1/2
Quark Down d -1/3 rouge, vert, bleu ~ 6 MeV/c2 1/2

Deuxième génération[modifier | modifier le code]

Particule
Notation
Charge électrique
Charge forte
Masse
Spin
Muon μ -1 106 MeV/c2 1/2
Neutrino mu νμ 0 < 190 keV/c2 1/2
Quark Charm c 2/3 rouge, vert, bleu ~ 1.3 GeV/c2 1/2
Quark Strange s -1/3 rouge, vert, bleu ~ 100 MeV/c2 1/2

Troisième génération[modifier | modifier le code]

Particule
Notation
Charge électrique
Charge forte
Masse
Spin
Tau ou Tauon τ -1 1,78 GeV/c2 1/2
Neutrino tau ντ 0 < 18,2 MeV/c2 1/2
Quark Top t 2/3 rouge, vert, bleu 171 GeV/c2 1/2
Quark Bottom b -1/3 rouge, vert, bleu ~ 4.2 GeV/c2 1/2

Bosons de jauge[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Boson de jauge.

Dans le modèle standard, les bosons de jauge sont vecteurs ou supports de force et jouent un rôle de médiateur entre les forces fondamentales : faible, forte et électromagnétique.

Les bosons de jauge obéissent à la statistique de Bose-Einstein ; ils sont de spin entier et peuvent coexister entre eux dans le même état quantique (des milliards de photons identiques cohabitant dans un faisceau laser).

Le boson de Higgs n'est pas un médiateur de force, et n'appartient donc pas à la classe des bosons de jauge.

Ces particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d'existence extrêmement brève et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à transmettre les forces fondamentales. C'est d'ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées « particules messagères » ou « médiateurs ».

Photon[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Photon.

Les photons « γ » (de spin 1, de masse et charge nulles) sont médiateurs de la force électromagnétique entre particules chargées électriquement.

Bosons faibles[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Boson W et Boson Z.

Les bosons de jauge W+, W- et Z0 (de spin 1 et de masse élevée) sont médiateurs des interactions faibles entre les particules de différentes saveurs (tous les quarks et les leptons).

Gluons[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Gluon.

Les huit gluons (de spin 1 et de masse nulle) sont médiateurs des interactions fortes entre les particules ayant une charge de couleur (les quarks).

Boson de Higgs[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Boson de Higgs.

Le boson de Higgs (de spin 0, qui est un champ scalaire), est supposé conférer leur masse aux autres particules par un mécanisme de brisure spontanée de symétrie appelé dans ce cadre le mécanisme de Higgs. Ce boson n'a pas encore été officiellement découvert, cependant le CERN a annoncé le 4 juillet 2012 avec une confiance de 5 sigma (99,9999%) avoir découvert grâce au LHC une particule d'une masse de 125,3 GeV⋅c−2 ± 0,6. Cette particule pourrait être le boson de Higgs, mais des études plus poussées restent nécessaires pour pouvoir l'affirmer en toute certitude[3],[4].

Total des particules[modifier | modifier le code]

Particules élémentaires
Types Générations Antiparticule Couleurs Total
Quarks 2 3 Paire 3 36
Leptons Paire Aucune 12
Gluons 1 1 Elle-même 8 8
Photon Elle-même Aucune 1
Boson Z Elle-même 1
Boson W Paire 2
Boson de Higgs Elle-même 1
Total des particules élémentaires (connues) : 61

Si on compte les particules en distinguant leurs différentes couleurs et leurs antiparticules, on dénombre en tout 61 particules élémentaires.

Aspects théoriques[modifier | modifier le code]

Algèbres et théorie des groupes du modèle standard[modifier | modifier le code]

D'un point de vue mathématique, les théories quantiques des champs ont été formalisées dans le cadre de théories de jauge à l'aide de groupes de symétrie locale prenant la forme de groupes de Lie complexes sous-tendant chacun les symétries de jauge modélisées. Ainsi :

Théories physiques du modèle standard[modifier | modifier le code]

La théorie quantique des champs[modifier | modifier le code]

Article détaillé : théorie quantique des champs.

La chromodynamique quantique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : chromodynamique quantique.

L'électrodynamique quantique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : électrodynamique quantique.

Le mécanisme de Higgs[modifier | modifier le code]

Les dix-neuf paramètres libres du modèle standard de la physique des particules[modifier | modifier le code]

Les dix-neuf paramètres libres du modèle standard sont les masses des neuf fermions, quatre paramètres de la matrice CKM, les constantes de couplages pour les trois forces, l'angle thêta de la chromodynamique quantique et deux paramètres de Higgs.

Limites[modifier | modifier le code]

La gravitation[modifier | modifier le code]

Le modèle standard n'est pas une théorie complète des interactions fondamentales car elle n'inclut pas la gravitation.

Parmi les multiples théories qui tentent d'unifier mécanique quantique et théorie de la relativité, il y a entre autres celle qui envisage l'existence du graviton, un hypothétique boson.

Les 19 paramètres libres[modifier | modifier le code]

Article connexe : Gabriele Veneziano.

Selon Alain Connes, « personne ne pense que le modèle standard soit le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient. »[5].

Trois familles de fermions[modifier | modifier le code]

Le modèle standard ne prédit pas pourquoi il existe trois générations de fermions portant les mêmes charges, mais dans des gammes de masse très différentes. La masse du quark u est de l'ordre du MeV.c−2[6] alors que celle du t est de l'ordre de 170 GeV.c−2. D'autre part, rien ne dit qu'il n'existe pas d'autres familles. En date de 2008, aucune théorie au-delà du modèle standard n'explique de manière précise l'existence de ces trois familles. L'unitarité de la matrice CKM est un test sensible de l'existence d'une autre génération de fermions.

Problèmes de jauges[modifier | modifier le code]

Le lagrangien de jauge du modèle standard est composé de trois symétries internes aux particules , et . De la même façon que pour les familles de fermions, rien n'interdit l'existence de sous-groupes de symétries. Ceci est d'ailleurs un sujet cher aux théories de grande unification, qui permettent en principe d'expliquer ces symétries en les incluant comme sous-groupes d'un groupe plus large que les trois premiers. Le groupe mathématique aurait pu convenir et c'est sur lui que reposait la théorie de la Grande Unification (GUT en anglais). Mais cette symétrie de jauge compliquait le modèle standard en obligeant à postuler 24 bosons, et surtout, elle prédisait la désintégration des protons, qui n'a jamais été observée expérimentalement.

Matière et antimatière[modifier | modifier le code]

La matière noire[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Matière noire.

Le modèle ne décrit pas la matière noire dont serait composé une grande partie de l'univers.

La plus légère des hypothétiques particules supersymétriques serait un des candidats[7] pour la matière noire.

Il reste à formuler une théorie complémentaire au modèle standard qui expliquerait pourquoi aucune de ces particules n'a été détectée jusqu'à maintenant (par le LHC ou par un autre détecteur).

Le volume de la charge électrique du proton[modifier | modifier le code]

Les expériences sur le volume de la charge électrique du proton donnent deux[8] chiffres différents, et les scientifiques ne peuvent pas déterminer si l'erreur est dans les conditions de l'expérience ou si c'est la théorie elle-même qui est incomplète.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Fundamentals of Physics and Nuclear Physics » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?)
  2. « Scientific Explorer: Quasiparticles », Sciexplorer.blogspot.com,‎
  3. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson(en), PR17.12, 04.07.2012
  4. « Communiqué de presse du CERN : Les expériences du CERN observent une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu », sur CERN.ch
  5. Alain Connes, Triangle de pensées, p. 94.
  6. En physique des hautes énergies, l'unité de masse est l'eV.c−2 qui est beaucoup plus pratique à utiliser que le kilogramme. En effet le kilogramme est une unité trop « grande » pour les masses considérées. D'autre part l'eV.c−2 présente l'avantage d'être facilement utilisable dans les équations de la relativité restreinte.
  7. Article du CERN Plusieurs théories prédisent une particule supersymétrique qui aurait les caractéristiques de cette hypothétique matière noire
  8. Le problème du rayon du proton : des mesures incompatibles, les expériences de Jan Bernauer et Randolf Pohl.

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Standard Model » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) G. Kane, Modern Elementary Particle Physics, Éditions Addison - Wesley Publishing Company, 1987
  • (en) P. Langacker et al., Precision tests of the Standard Electroweak Model, seconde édition, Éditions World Scientific, 1998, Advanced series on Directions in High Energy Physics, vol.r14
  • F. Cuypers, Au-delà du Modèle Standard, cours de DEA donné à l'Université de Nantes, 1997, non publié
  • M. Jacob, Le modèle standard en physique des particules, in pour La Science n° 300, octobre 2002
  • Pierre Fayet, Les «sparticules» existent-elles ?, Les dossiers de La Recherche, n° 23, mai 2006, pp 72-74
  • Jean Iliopoulos, Dépasser le modèle standard, in Pour La Science n° 361 de novembre 2007, pp 90-96

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • pages informative sur de:Yukawa
  • (en) Page PDGlive éditée par le Particle Data Group permettant de naviguer dans l'ensemble des données expérimentales de toute la physique des particules (dernière mise à jour: 2009).
  • Interview d'Alain Connes sur ce que signifie le modèle standard (voir la partie III). [1]