La matière au niveau fondamental est constituée de quarks et de leptons. Les quarks se combinent pour former des hadrons, principalement des baryons et des mésons via la force nucléaire forte, et sont présumés toujours confinés ainsi. Parmi les baryons se trouvent le proton (dont la charge électrique est positive) et le neutron (de charge électrique nulle), qui eux se combinent pour former les noyaux atomiques de tous les éléments chimiques du tableau périodique. Normalement, ces noyaux sont entourés d'un nuage d'électrons (de charge électrique négative et exactement opposée à celle du proton). L'ensemble formé par un noyau et un nuage qui comprend autant d'électrons négatifs que de protons positifs présents dans le noyau est un atome. Il est électriquement neutre, sinon, c'est un ion. Un ion chargé positivement est appelé cation tandis qu'un ion chargé négativement est appelé anion. Les atomes peuvent s'agencer entre eux pour former des structures plus grosses et plus complexes, tel que les molécules. La chimie est la science qui étudie comment se combinent les noyaux et les électrons pour former divers éléments et molécules.

Le modèle standard de la physique des particules[modifier | modifier le code]

Ce modèle standard explique de quoi la matière est faite et comment ses constituants interagissent. Dans le modèle standard, il existe trois grandes catégories de particules élémentaires : les quarks, les leptons et les bosons de jauge.

Toutes les particules connues sont composées de quarks et de leptons (collectivement nommés fermions), et elles interagissent en échangeant des bosons de jauge. Ainsi, toute la matière de l'Univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par les organismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Mais ce n'est pas là toute l'histoire. Les quarks ont des propriétés bien différentes des leptons ; et de plus, pour chaque sorte de particule, il existe une particule d'antimatière correspondante.

Tableau des particules élémentaires dans le cadre du modèle standard

L'antimatière[modifier | modifier le code]

Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule — c’est ce qu’on appelle la symétrie. Les antiparticules sont en tous points semblables aux particules correspondantes – excepté que toutes leurs caractéristiques - sauf la masse - ont un signe opposé, comme la charge. Par exemple, un proton est chargé positivement alors qu'un antiproton est chargé négativement. En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créer des anti-atomes. D'ailleurs, les physiciens se sont déjà appliqués à construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50 000 atomes) dans les laboratoires du CERN.

Lorsqu'une particule de matière et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions entre particules et antiparticules produisent donc beaucoup d'énergie et sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs.

L'antimatière a une durée de vie très courte dans notre environnement :à moins qu'elle ne soit isolée par des champs magnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihile alors.

La première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un positron (anti-électron) produit par la rencontre entre un rayon cosmique et un noyau atomique de l'atmosphère.

Les quarks[modifier | modifier le code]

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centaines de particules pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement trois éléments. Gell-Mann choisit le nom « quarks » pour désigner ces éléments. Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegans Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques). Ce n'est qu'au début des années 70 que la réalité physique de ces quarks fut prouvée, et qu'ils accédèrent au rang de particules.

Nous savons maintenant qu'il y a six sortes ou saveurs de quarks. Ils furent joliment baptisés, par ordre de masses croissantes : up, down, strange, charm, bottom et top. De plus, pour chacun de ces quarks, il y a un antiquark correspondant.

Les quarks ont l'étrange propriété d'avoir une charge électrique fractionnaire. Cette charge est de 2/3 pour les quarks up, charm et top et de –1/3 pour les quarks down, strange et bottom.

Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent en paquets de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Par exemple, le proton est un hadron composé de deux quarks up et d'un quark down. Quant au neutron, il est formé de deux quarks down et d'un quark up. Cette propriété fait que les particules observées à l'état libre ont toutes une charge électrique entière ou nulle.

Les particules formées de quarks et d'antiquarks sont appelées hadrons. Elles se répartissent en deux classes :

les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p),
les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark.

Les leptons[modifier | modifier le code]

Les autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes, ou saveurs de leptons, dont trois ont une charge électrique négative et trois sont neutres. Mais, à la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. On ne sait pas en 2007 si des liens fondamentaux relient les 6 saveurs de leptons et celles de quarks.

Le lepton le plus connu est l'électron (e ). Les deux autres leptons chargés sont le muon (μ) et le tau (τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos (ν). Il y a une saveur de neutrino associée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique (ν_e), un neutrino muonique (ν_μ) et un neutrino tauonique (ν_τ).

Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ils n'interagissent presque pas avec la matière. Il faut construire des observatoires souterrains, loin de toute perturbation, pour pouvoir détecter quelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleil émet une énorme quantité de neutrinos. Des milliards de neutrinos solaires traversent votre corps à chaque seconde !

Les trois familles de particules élémentaires[modifier | modifier le code]

Toutes les particules élémentaires que nous avons vues jusqu'à maintenant sont appelées fermions. Les chercheurs ont réalisé que les fermions élémentaires pouvaient être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks, un lepton chargé et son neutrino. D'une famille à l'autre, les propriétés des particules sont semblables, à l'exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille.

La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l'électron et le ν_e. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et le ν_μ. Les quarks top et bottom, le tauon et le ν_τ forment la troisième famille.

Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules.

Les bosons de jauge[modifier | modifier le code]

« Comment tiennent-elles ensemble ? » La réponse résulte dans l'interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange de bosons de jauge, l'autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des « particules de rayonnement ».

Il y a 12 bosons de jauge dans le modèle standard : le photon, 8 gluons et 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence du graviton qui n'a pas encore été observé. Chaque boson de jauge est associé à une force :

le photon transmet la force électromagnétique,
les gluons transmettent la force nucléaire forte,
les bosons faibles transmettent la force nucléaire faible,
le rôle du graviton est de transmettre la force gravitationnelle.

Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Matière et chimie[modifier | modifier le code]

Les états de la matière[modifier | modifier le code]

La matière peut se retrouver dans plusieurs états ou phases. Les trois états les plus connus sont solide, liquide et gazeux. Il existe aussi d'autres états un peu plus exotiques, tel que plasma, cristal liquide, condensat de Bose-Einstein et superfluide. Lorsque la matière passe d'un état à l'autre, elle effectue une transition de phase. Ce phénomène est étudié en thermodynamique via les diagrammes de phase. La transition de phase se produit lorsque certaines caractéristiques de la matière changent : pression, température, volume, densité, énergie, etc.

Chaque particule de matière est associée à une (anti-)particule d'antimatière (par ex. électron-positron). Une particule d'anti-matière se distingue de sa partenaire par le fait que ses différentes charges (charge électrique, charge de couleur) sont opposées. Toutefois de telles particules possèdent la même masse. Bien que les lois fondamentales de la physique n'indiquent pas une préférence pour la matière par rapport à l'anti-matière, les observations cosmologiques indiquent que l'univers est presque exclusivement constitué de matière. Cette dissymétrie drastique est communément attribué à une toute petite dissymétrie originelle due aux fluctuations quantiques avant l'époque de l'annihilation électrons-positrons.

Matière et physique quantique[modifier | modifier le code]

Les fermions: la matière[modifier | modifier le code]

Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire 1/2, 3/2, 5/2, ...). Les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli : « Un état quantique donné ne peut être occupé que par au plus un seul fermion ». Ils suivent la Statistique_de_Fermi-Dirac.

Les bosons: pas de la matière[modifier | modifier le code]

Les bosons sont les particules à spin entier (c'est-à-dire 1, 2, 3, ...). Les bosons n'obéissent pas au principe d'exclusion de Pauli, ils obéissent à la statistique de Bose Einstein. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre quelconque de bosons. C'est même l'inverse qui se produit et les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné.

la matière sous forme de bosons[modifier | modifier le code]

Dans certains cas des particules de matière peuvent s'accumuler dans le même niveau, c'est le cas pour l'effondrement des atomes dans l'état de plus basse énergie à basse température (condensation de Bose-Einstein), qui est à la base des propriétés superfluides de l'Hélium 4 liquide à basse température.

Ceci a été expliqué par les paires de Cooper (cf. Théorie BCS), c'est à dire la transformation de particules en bosons: la matière, ce peut être aussi des bosons...

Matière et relativité[modifier | modifier le code]

Les travaux d'Albert Einstein en relativité restreinte nous ont légué la fameuse formule E = mc², où E est l'énergie au repos d'un système, m est sa masse et c est la vitesse de la lumière dans le vide. Cela implique donc que la masse est équivalente à de l'énergie et vice versa. Ainsi par exemple lorsque plusieurs particules se combinent pour former des atomes, la masse totale de l'assemblage est plus petite que la somme des masses des constituants car en fait une partie de la masse des constituants est convertie en énergie de liaison, nécessaire pour assurer la cohésion de l'ensemble. On appelle ce phénomène le défaut de masse. Ce même physicien a établi le lien entre la courbure de l'espace-temps et de la matière/énergie grâce à la théorie de la relativité générale : la matière courbe l'espace-temps et l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer. Ainsi, en relativité générale, la matière et l'énergie sont regroupées sous la même bannière et une façon d'en mesurer la quantité est d'observer la courbure de l'espace-temps qui les contient.

Matière et cosmologie[modifier | modifier le code]

En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la composition de cette hypothétique matière noire : gaz moléculaire, étoiles mortes, naines brunes en grand nombre, trous noirs, etc. Cependant, les observations (ou plutôt le manque d'observations directes) impliqueraient plutôt une nature non-baryonique, et donc encore inconnue. La matière noire représenterait pourtant une abondance cinq fois plus importante que la matière baryonique, pour constituer de 22 % ^[1] à 27 % ^[2] de la densité totale de l'Univers observable^[3], selon les modèles de formation et d'évolution des galaxies, ainsi que les modèles cosmologiques. Il faut noter que les observations récentes du fond diffus cosmologique effectuées par le satellite WMAP ont mis en évidence que la partie principale de la densité d'énergie de l'univers n'est pas donnée par de la matière mais plutôt par l'énergie du vide appelée constante cosmologique.

Conclusions?[modifier | modifier le code]

La matière, c'est ce qui a de la masse[modifier | modifier le code]

Oui, mais les bosons peuvent avoir une masse (cf. Boson_W par exemple)...

D'autre part, l'énergie, c'est relié à la masse en relativité.

La matière, c'est ce qui prend de la place[modifier | modifier le code]

C'est à dire qui obéit au principe d'exclusion de Pauli. Autrement dit, la matière, c'est composé de fermions... Mais la condensation de l'hélium trois et la supraconductivité sont compréhensibles dans le cadre où la matière est condensée (i.e. bosons).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

↑ site de la NASA2
↑ Site du LAPP6
↑ (en)« Astrophysical constants and parameters », PDG consultable également sur table des constantes astrophysiques.

[1] site de la NASA2

[2] Site du LAPP6

[3] (en)« Astrophysical constants and parameters », PDG consultable également sur table des constantes astrophysiques.

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