L'ère des particules
Dans la seconde moitié du xxesiècle, l’image de la radioactivité, et en particulier celle de la radioactivité β, se trouva profondément modifiée à la suite des progrès considérables accomplis dans la connaissance des constituants de base de la matière et
C’est en 1947, avec l’éclaircissement du mystère du mésotron, qui se traduisit par la mise en évidence de deux « mésons », dont l’un, appelé alors le méson n, était en fait une sorte d’électron lourd, – donc, comme nous le verrons plus loin, un lepton et non un méson au sens actuel – et l’autre le méson de Yukawa, ou méson n que fut donné le coup d’envoi pour de nouveaux progrès. Les découvertes allaient alors se succéder à cadence accélérée.
la chasse aux particules « élémentaires »
Dans les années 1950, la chasse aux particules fut ouverte. Cette recherche, menée initialement à partir de l’étude des rayonnements cosmiques, fournisseurs naturels de corpuscules de très haute énergie, obtint assez vite le renfort de la technologie humaine. En effet, des accélérateurs de plus en plus puissants se construisaient. Les pays industrialisés restaient frappés par la puissance des bombes et des réacteurs nucléaires, nés directement de la recherche fondamentale. Portée par l’essor économique qui suivit le deuxième conflit mondial, et par cette conviction que la science des phénomènes subatomiques pouvait encore recéler des trésors secrets, la recherche bénéficia à cette époque de soutiens inégalés. Aux États-Unis, en URSS, et même en France, les synchrotrons succédèrent aux cyclotrons et synchro-cyclotrons. L’énergie de ces puissants accélérateurs passa très vite de quelques milliards d’électron-volts, c’est-à-dire de quelques gigaélectronvolts (GeV) à des dizaines de GeV. Le Centre européen de recherche nucléaire (CERN) fut créé à Genève en 1954.
L’année suivante se produisit aux États-Unis un événement de portée considérable, la mise en évidence expérimentale de l’antiproton, particule prédite en même temps que le positon par Paul Dirac une trentaine d’années auparavant. Cette découverte fut l’œuvre d’Emilio Segrè et Owen Chamberlain qui reçurent le prix Nobel de physique en 1959. Ce fut aussi l’un des premiers succès de l’accélérateur de Berkeley appelé bévatron, dont l’énergie atteignait 6 GeV, soit 1000 fois celle du cyclotron de Joliot, construit vingt ans plus tôt ! Dès ce moment, les physiciens furent pleinement convaincus de la généralité de la notion d’antimatière. À chaque particule de matière pouvait être associée son antiparticule, de masse identique et de charge opposée.
Dans cette période, on vit également apparaître une floraison de nouvelles particules qui ne manquèrent pas de poser nombre d’énigmes aux physiciens. Ceux que ces problèmes concernaient venaient d’ailleurs de changer de nom. En effet, en même temps que cette recherche se développait, une nouvelle discipline, d’abord appelée « physique des hautes énergies », puis « physique des particules élémentaires » s’était dégagée de la physique nucléaire. Après les mésons n ces physiciens découvrirent les « résonances », êtres de durée de vie éphémère, qui furent identifiés à des états excités des nucléons, puis des particules appelées « étranges » dont l’interprétation nécessita l’introduction d’une propriété nouvelle, une « hypercharge » appelée « l’étrangeté ». Le nombre de ces particules « élémentaires » s’éleva rapidement à plusieurs centaines, et il devint évident que ce nombre était trop grand pour que l’on ait réellement affaire aux composants de base de la matière. La physique des particules élémentaires changea encore de nom, devenant la « physique des particules » que l’on connaît aujourd’hui.
Les quarks ou le « remake » de Mendeleïev
L’histoire ne se répète jamais exactement, mais il faut bien avouer qu’au début des années 1960, la situation des particules « élémentaires » ressemblait fort à celle des « éléments » chimiques une centaine d’années plus tôt. Dans une démarche analogue à celle de Mendeleïev, les physiciens entreprirent de classer ces particules selon leurs propriétés. Cette classification s’appuyait sur des groupes de symétrie mathématiques. Indépendamment et simultanément, un étudiant américain George Zweig et un théoricien bien connu de la même nationalité, Murray Gell-Mann aboutirent à la conclusion que l’ensemble des particules connues (hormis l’électron et le muon, comme nous le verrons plus loin) pouvait être représenté à partir de trois éléments de base, que Gell-Mann baptisa les « quarks ». Ces trois éléments étaient les quarks u, d et s. Les deux premiers – u pour « up » et d pour « down » – entraient dans la composition des particules stables comme le neutron et le proton, le troisième, le quark s – comme « strange » -, dans celle des particules étranges. Comme cela avait été le cas pour le tableau de Mendeleïev, cette « classification » eut des vertus prédictives. Elle fit apparaître la possibilité d’existence d’une particule encore inconnue, appelée £2“ (oméga moins), qui fut découverte deux ans plus tard.
Dans les années 1970, l’exploration de la structure interne des protons et des neutrons, par des expériences analogues à celle de Rutherford, Marsden et Geiger à ceci près que les projectiles utilisés étaient des électrons de très haute énergie, révéla l’existence de « points durs » à l’intérieur de ces nucléons. Ceux-ci furent identifiés aux quarks.
Par la suite, des particules possédant des propriétés d’un type nouveau s’inscrivirent sans peine dans la classification, à laquelle fut ajoutée une dimension, correspondant à un quatrième quark le quark « charmé » c. Puis suivirent les quarks b, comme « bottom » ou « beauté » et enfin t, comme « top ». La mise en évidence expérimentale de ce dernier ne fut accomplie qu’en 1994. Mais dès la découverte du quark b, en 1977, les physiciens savaient, pour des raisons liées à la symétrie de leur modèle, qu’il existait un sixième quark. Pour d’autres raisons théoriques, on pense actuellement que la série devrait s’arrêter là.
Les quarks constituent donc actuellement les constituants « élémentaires » de toute une catégorie de particules, appelées « hadrons », qui comprennent en particulier le neutron et le proton. Remarquons que deux types de quarks (u et d) suffisent à expliquer ces deux particules.Le neutron (ddu) est constitué de deux quarks d et d’un quark u, alors que le proton possède la formule symétrique (uud).
Signalons également qu’à chaque quark q est associé un antiquark q (q barre), qui possède la même masse et une charge opposée. Ainsi existent six antiquarks qui font partie des composants de base de l’antimatière.
Les mésons constituent une autre catégorie de hadrons. La structure de base d’un méson est l’association d’un quark et d’un antiquark. Par exemple, le méson rc+ est constitué d’un quark u et d’un antiquark d (d barre). On vérifie aisément que cette composition aboutit à la charge + e. D’autres mésons ont des structures plus complexes, mais des paires quark-antiquark y figurent toujours.
… et les leptons
Depuis sa découverte, qui date maintenant de plus d’un siècle, on n’a jamais trouvé de sous-structure à l’électron. Cette particule est toujours considérée comme un constituant élémentaire de la matière. En fait l’électron est le chef de file d’une famille de particules distinctes des quarks, qui ont été baptisées les « leptons chargés ». Le second de cette famille, découvert en 1937, était le fameux « mésotron », appelé ensuite « méson n », puis rebaptisé muon, lorsque l’on s’aperçut qu’il ne s’agissait pas d’un méson, au sens d’une paire quark-antiquark. Cette particule possède la même charge que l’électron, mais une masse 200 fois plus élevée, et une durée de vie très brève (2,2 microsecondes). Un troisième lepton chargé, encore plus lourd et plus fugace, le tau, a été découvert en 1974.
Trois particules neutres, les neutrinos, complètent la classe des leptons, qui regroupe ainsi l’ensemble des particules insensibles à l’interaction forte.
Le neutrino de Pauli-Fermi, qui se manifeste – par son absence, en quelque sorte – dans l’énergie de la radioactivité (5“, est en fait un antineutrino. Comme il apparaît en conjonction avec un électron, il s’agit d’un antineutrino « électronique », et son symbole est ve. Le neutrino proprement dit, qui est associé à la radioactivité p+, est noté ve. Restés longtemps à l’état de spéculation, les neutrinos et antineutrinos ne furent mis en évidence qu’à partir des années 1950. Les premières expériences cherchèrent à montrer l’existence de réactions nucléaires telles que
ve + 37Cl -> e~ + 37 Ar [1]
qui est l’inverse de la désintégration de 37Ar par capture électronique, ou
ve + 1H -» e+ + n [2]
qui peut être considérée comme l’inverse de la radioactivité p“ du neutron. Ils utilisaient comme projectiles des antineutrinos157 issus des nombreuses désintégrations 157. On pensait à cette époque que le neutrino et l’antineutrino pouvaient être des particules identiques, donc susceptibles d’engendrer aussi bien les réactions [1] que [2].
β- se produisant dans un réacteur nucléaire. C’est par la seconde de ces méthodes que Frederick Reines et Clyde L. Cowan parvinrent à détecter des neutrinos pour la première fois en 1956, mais celle qui utilise 37Cl, proposée par Bruno Pontecorvo dès 1946 et mise en œuvre peu après par Raymond Davies, est restée l’une des grandes classiques pour la détection des neutrinos en provenance du Soleil.
Neutrinos et antineutrinos électroniques peuvent aussi se manifester dans d’autres transformations provoquées par des collisions de particules à haute énergie, qui produisent également les neutrinos muonique vτ et tauique vμ associés respectivement au muon et au tau, et les antineutrinos correspondants.
Le problème de la masse des neutrinos a longtemps été une énigme pour les physiciens. Il fut assez vite établi que celle du neutrino – et donc de l’antineutrino – électronique était très faible, mais il était très important pour la théorie de savoir si elle était strictement nulle. De nombreuses expériences s’attaquèrent à ce problème, et la limite supérieure de cette masse s’abaissait régulièrement, ce qui rendait de plus en plus probable l’hypothèse d’une masse nulle. Cependant, des résultats récents semblent établir, de façon indirecte, que ce n’est pas le cas. Ils montrent que les neutrinos d’une certaine classe (électroniques, par exemple), peuvent se transformer spontanément en neutrinos d’une autre classe (muoniques, par exemple). Or, selon la théorie, un tel phénomène, appelé « oscillation de neutrinos », n’est possible que pour des particules de masse non nulle.
Vidéo : L’ère des particules
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