1.De quoi est fait la mati�re?

La mati�re est fait de mol�cules tr�s petites, les mol�cules sont form�s d'atomes li�s ensembles, qui �changent leurs �lectrons. Les �lectrons sont de tr�s petites particules ayants une charge �lectrique n�gative. Les atomes sont neutres parce-que les �lectrons tournent autour d'un noyau positif. Ce noyau est form� de protons ayant une charge de m�me force que les �lectrons mais de charges contraires. Bien-s�r, dans l'atome, il y a le meme nombre d'�lectron et de protons. Les protons sont tenus ensembles par des neutrons, n'ayant aucune charge. Les protons et les neutrons sont form�s de particules appel�s quark.

2.Les constituants �l�mentaires

Les physiciens cherchent � d�couvrir de nouvelles particules pour comprendre comment fonctionne l'univers. Ils se demandent sans cesse si les constituants qu'ils pensent �l�mentaires le sont r�ellement.Les physiciens ont d�couvert pr�s de 200 particules (seul un petit nombre d'entre elles sont �l�mentaires). Pour ne pas les perdre de vue, ils leur ont donn� des noms, en utilisant les lettres des alphabets grec et romain.

3.Le Mod�le Standard

Les physiciens ont mis au point une th�orie appel�e le Mod�le Standard, qui tente de d�crire toute la mati�re et les forces de l'univers (sauf la gravit�). Son �l�gance r�side dans sa capacit� � justifier l'existence de centaines de particules et d'interactions complexes avec un minimum de constituants et d'interactions �l�mentaires.

Voici les id�es cl� :

�Les particules messag�res : chaque type de force est "v�hicul�e" par une particule messag�re (comme le photon, par exemple, pour la force �lectromagn�tique).

�Les particules de mati�re : le Mod�le Standard dit que la plupart des particules de mati�re que nous connaissons sont actuellement compos�es de constituants �l�mentaires appel�s quarks.

Il y a donc 2 sortes de particules : les particules qui sont de la mati�re (comme les �lectrons, les protons, les neutrons ou les quarks) et les particules messag�res qui v�hiculent les forces (comme les photons).Ce qui rend le Mod�le Standard si "simple" c'est qu'il explique que toutes les particules observ�es peuvent �tre obtenues � partir de 12 constituants �l�mentaires : 6 leptons, et leurs antiparticules ; 6 quarks, et leurs antiparticules ; et des particules messag�res.Pour chaque particule de mati�re, il y a une particule correspondante d'antimati�re (avec, entre autres caract�ristiques, une m�me masse et une charge �lectrique oppos�e).

4.Les leptons

Le premier type de particule que nous vous pr�sentons est le lepton.Il y a 6 leptons : 3 d'entre eux ont une charge �lectrique et 3 sont neutres. Le lepton charg� le plus connu est l'�lectron. Les 2 autres leptons charg�s sont le muon et le tau, qui sont essentiellement des �lectrons de masse plus grande. Les leptons charg�s ont tous une charge �lectrique n�gative.Les 3 autres leptons sont les neutrinos. Ils n'ont pas de charge �lectrique et peu, sinon pas, de masse. Il y a un type de neutrino pour chaque type de lepton �lectriquement charg�. A chacun des 6 leptons est associ� un lepton d'antimati�re (antilepton) avec une masse �gale et une charge oppos�e.

5.Les quarks

Les constituants �l�mentaires dont nous allons maintenant parler s'appellent les quarks.Il y a 6 quarks, mais les physiciens parlent g�n�ralement de 3 paires de quarks (up/down, charm/strange, bottom/top). Pour chacun de ces quarks il y a un quark correspondant d'antimati�re (l'antiquark).Les quarks ont la caract�ristique inhabituelle d'avoir une charge �lectrique fractionnaire de 2e/3 ou de -e/3, au contraire des charges -e de l'�lectron et +e du proton. Le quark porte �galement un autre type de charge appel� la charge de couleur, dont nous parlerons plus tard.

6.Les hadrons

Les quarks pris individuellement ont une charge �lectrique fractionnaire. De toute mani�re ces charges fractionnaires ne sont jamais observables directement car les quarks ne sont jamais seuls, formant des particules composites appel�es hadrons. La somme des charges �lectriques des quarks dans un hadron est toujours un nombre entier. Alors que les quarks portent une charge de couleur, les hadrons sont de couleur neutre.Il y a deux classes de hadrons :

Les Baryons : Les baryons sont des hadrons constitu�s de 3 quarks. Par exemple, les protons sont compos�s de 2 quarks up (haut) et d'un quark down (bas) soit (uud) et les neutrons ont un quark up et deux down (udd).

Les M�sons : ils contiennent un quark et un antiquark. Par exemple, un pion n�gatif est constitu� d'un antiquark up et d'un quark down.

7.Les familles de constituants

Notez que les quarks, comme les leptons, sont class�s en trois groupes distincts. On appelle chacun de ces groupes une famille de constituants �l�mentaires. Une famille est un groupe form� d'un quark et d'un lepton de chaque type de charge, soient quatre constituants. Chaque famille tend � �tre plus lourde que le groupe pr�c�dent.Toute la mati�re visible dans l'univers est faite de constituants de la premi�re famille : les quarks up et down, et les �lectrons. Les particules de la 2�me et de la 3�me famille sont instables, et se d�sint�grent en particules de la 1�re famille. C'est la raison pour laquelle toute la mati�re stable de l'univers est faite des constituants de la premi�re famille.

8.Les quatre interactions

L'univers que nous connaissons existe parce que les particules interagissent, soit en se d�sint�grant, soit en s'annihilant ou en r�pondant � une force due � la pr�sence d'une autre particule (par ex. durant une collision). Il y a quatre interactions entre constituants

9.La gravit�

La force de gravit� est peut-�tre la force qui nous est la plus famili�re, mais elle n'est pas incluse dans le Mod�le Standard car la th�orie qui la d�crit n'est pas une th�orie quantique. De plus, bien que la gravit� agisse sur toute chose, c'est une force tr�s faible en regard du monde des particules car les masses impliqu�es sont tr�s faibles.Alors que les physiciens n'ont pas encore d�couvert la particule messag�re de la gravit�, ils postulent l'existence de cette particule et l'appellent le graviton.

10.L'�lectromagn�tisme

Beaucoup de forces que nous subissons tous les jours sont dues aux forces �lectromagn�tiques dans la mati�re, qui s'opposent � l'�loignement des atomes de leur position d'�quilibre.Il faut savoir que la charge �lectrique (positive/n�gative) et le magn�tisme (nord/sud) sont diff�rents aspects d'une m�me force : l'�lectromagn�tisme. Des objets de charges oppos�es, tels un proton et un �lectron, sont attir�s l'un vers l'autre, alors que les particules de m�me charge se repoussent.La particule messag�re de la force �lectromagn�tique est le photon. En fonction de leur �nergie, les photons sont appel�s rayons gamma, lumi�re (infrarouge, visible, ultraviolet), micro-ondes, ondes radio, etc....

11.L'int�raction forte

Quelques constituants (les quarks et les gluons) ont un type de charge qui n'est pas �lectromagn�tique : c'est la charge de couleur. La force entre les particules qui poss�dent une charge de couleur est tr�s intense, et c'est pour cela qu'on lui a donn� le nom de forte. Comme cette force maintient unis les quarks pour former des hadrons, les particules messag�res sont appel�es les gluons, � cause de leur capacit� � cimenter les quarks entre eux (glue = colle en fran�ais).Il est important de noter que seuls les quarks et les gluons ont une charge de couleur. Les hadrons (par exemple les protons et les neutrons) sont de couleur neutre, de m�me que les leptons. Pour cette raison, l'interaction forte ne peut agir qu'au niveau des objets color�s (quarks et gluons).

12.L'int�raction forte r�siduelle

Les protons et les neutrons, comme tous les hadrons, sont des objets de couleur neutre. Mais rappelez-vous que les hadrons sont compos�s de quarks charg�s de diff�rentes couleurs. Ainsi, les quarks charg�s de couleur d'un proton peuvent se coller aux quarks charg�s de couleur d'un autre proton, m�me si les protons eux-m�mes sont de couleur neutre. C'est ce que l'on appelle l'interaction forte r�siduelle, et elle est suffisamment forte pour dominer la r�pulsion �lectromagn�tique entre les protons.

13.L'Int�raction Faible

L'interaction faible est responsable du fait que les quarks et les leptons les plus lourds se d�sint�grent pour produire des quarks et des leptons plus l�gers. Quand une particule se d�sint�gre, elle dispara�t et d'autres particules apparaissent � sa place. La somme des masses des particules produites est toujours inf�rieure � la masse de la particule originelle. C'est pourquoi la mati�re stable autour de nous contient seulement des �lectrons et les deux quarks les plus l�gers.Quand un quark ou un lepton change de type (par exemple un muon se transformant en �lectron), on dit qu'il change de saveur. Tous les changements de saveur sont dus � l'interaction faible.Les particules messag�res de l'interaction faible sont les bosons W+, W- et Zo. Les bosons W sont �lectriquement charg�s et le Z est neutre.Un aspect tr�s int�ressant du Mod�le Standard est que les interactions �lectromagn�tique et faible sont combin�es en une interaction unifi�e appel�e �lectrofaible.

14.La classification des particules

Maintenant que vous connaissez les particules de mati�re et les particules messag�res des forces, on peut vous parler de la classification des constituants �l�mentaires faite par les physiciens.Nous devons d'abord expliquer une loi appel�e le principe d'exclusion de Pauli, qui dit que deux particules dans le m�me �tat (m�me spin, m�me charge de couleur, moment angulaire, etc..) ne peuvent cohabiter.Les physiciens utilisent cette loi pour s�parer les particules en 2 cat�gories : celles qui sont soumises au principe d'exclusion de Pauli, les fermions, et celles qui n'ob�issent pas au principe de Pauli, les bosons.

15.Les fermions

Les fermions sont des particules qui ont un moment angulaire intrins�que (ou spin) dont la valeur est un multiple demi entier (1/2,3/2) de la constante . Tous les fermions ob�issent au principe d'exclusion de Pauli.Les constituants �l�mentaires (quarks et leptons), aussi bien que certaines particules composites (tels les protons et les neutrons) sont des fermions. Donc, � cause du principe d'exclusion de Pauli, ces particules ne peuvent exister dans le m�me �tat au m�me endroit. C'est une propri�t� tr�s importante de la mati�re ordinaire. Pour �tre plus clair, le spin est le moment angulaire interne d'une particule, exprim� en unit� de avec =h/2pi. Le nombre pi vaut 3.14 et h est la constante de Planck, qui appara�t dans le concept de dualit� onde-corpuscule, qui exprime qu'� chaque particule de quantit� de mouvement p (p est la masse multipli�e par la vitesse), on associe une onde de longueur d'onde �gale � h divis�e par p.

16.Les bosons

Les bosons sont des particules dont le spin est un multiple entier d'une constante appel�e h.

Quelques bosons :

�les particules messag�res de toutes les interactions fondamentales ;

�les particules compos�es d'un nombre pair de quarks (tels les m�sons) ;

�les objets compos�s d'un nombre pair de fermions.

Le noyau d'un atome est un fermion ou un boson selon que la somme du nombre de protons et de neutrons qui le constituent est un nombre pair ou impair. Cette propri�t� explique le comportement �trange de l'h�lium-4 tr�s froid, qui est un superfluide (cela veut dire qu'il n'a pas de viscosit�, entre autres choses) car ces noyaux d'h�lium-4 contiennent 2 protons et 2 neutrons, ce sont donc des bosons et ainsi ils peuvent s'interp�n�trer.