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"Comment
construire un univers
Philip K. Dick |
Au sens large,
le terme de particule désigne tout corps microscopique. Il prend également
en physique l'acception de corps élémentaire à partir duquel sont construits
tous les autres corps, y compris les atomes. On
parle alors de particules élémentaires. La matière est constituée
de telles particules, mais dans les conceptions actuelles de la physique,
les forces qui définissent les interactions entre les particules de matière
correspondent aussi à des particules élémentaires particulières, les
particules porteuses de forces. Toutes les particules connues, qu'elles
soient de matière ou porteuses des forces, possèdent un double, leur
antiparticule, de même masse qu'elles, mais qui leur est exactement les
opposée sur d'autres points, un peu comme leur reflet inversé dans un
miroir.
Particules
composites et particules fondamentales.
• Les particules composites sont constituées de deux ou de trois quarks liés entre eux par la force forte. Les hadrons composés de trois quarks sont appelées baryons (ce mot signifie lourd en grec); ceux qui n'on que deux quarks (en fait un quark et un antiquark) sont appelés mésons (méso = au milieu, en grec, référence à la masse moyenne de ces particules). La taille de particules composites est de l'ordre du fermi (1 fermi = 1 femtomètre = 1 fm = 1×10-15 m), soit quelques centaines de milliers de fois inférieure à celle d'un atome.Bosons et fermions.• Autant qu'on puisse le savoir, les quarks, dont il existe six types ou saveurs, n'ont pas de sous-structure : ce sont des particules fondamentales de matière au même titre que les leptons, dont les électrons et les neutrinos sont des exemples. Les électrons, de charge électrique négative, se rencontrent ordinairement à la périphérie des atomes; les neutrinos dont les premiers indices de l'existence ont été révélés par l'étude de la radioactivité, sont des particules électriquement neutres et n'interagissent que faiblement avec le reste de la matière (ils sont sensibles à une force appelée la force faible). Contrairement aux hadrons, les leptons ne sont pas sensibles à la force forte. Le terme de boson (du nom de Satyendranath Bose  ,
1894-1974), utilisé pour qualifier les particules de forces, a une origine
statistique et s'applique aussi à certaines particules de matière. Il
s'oppose à celui de fermion (du nom de Enrico Fermi,
1901-1954). Le rangement des particules dans la catégorie des bosons ou
des fermions dépend de leur comportement collectif, qui lui-même découle
de leur spin ( = l'analogue quantique de ce
qui, à l'échelle macroscopique, définirait la rotation des particules
sur elles-mêmes). Les bosons sont des particules de spin entier
(0, 1, 2,...); lorsque leur spin est demi-entier (1/2, 2/3,...), on range
les particules dans la catégorie des fermions.
• Les quarks, les leptons et certains hadrons (les baryons) sont des fermions.La durée de vie des particules. Il n'a que très peu de particules stables, c'est-à -dire dont la durée de vie est illimitée (proton, éléctron, photon, neutrinos). En général, les particules se désintègent sponanément , et leur durée de vie est inférieure au cent-millionième de seconde; elle peut même être encore des milliards de fois plus courte. La durée de vie d'une particule dépend en grande partie de la force qui domine les processus dans lesquels cette particule est impliquée. L'antimatière.
• L'antiparticule de l'électron (e–), par exemple, est l'antiélectron, positon ou positron (e+) : il a la même masse que l'électron, mais sa charge électrique (et certaines autres propriétés) est de signe opposé. Quelques particules, électriquement neutres, peuvent être leur propre antiparticule. C'est le cas, par exemple du photon (Ce qu'il y a de plus notable à propos des antiparticules, c'est que lorsqu'elles interagissent avec leur particule, elles s'annihilent mutuellement. Leur énergie totale (énergie cinétique + énergie de masse) est convertie en énergie de rayonnement (photons). Le
zoo des particules élémentaires.
Vers
l'unification de la physique.
La physique des particules se déploie aujourd'hui dans un cadre général, appelé la théorie quantique des champs, et dont le socle est constitué par la théorie des quanta (physique quantique) et la relativité restreinte. Un des premiers résultats de la théorie quantique des champs a été comprendre les mécanismes à travers lesquels les particules interagissent au travers de l'échange de particules de porteuses de forces. Cela a donné naissance à un nouveau cadre formel dans lequel peuvent s'inscrire les interactions, et que l'on appelle les théories de jauge. A l'heure actuelle, l'électromagnétisme est décrit par une telle théorie, l'électrodynamique quantique. Celle-ci, réunie à la théorie de la force faible, dessine une autre théorie de jauge, la théorie électrofaible. Et un même cadre a été produit pour expliquer l'interaction forte qui soude entre eux les quarks (et secondairement les particules composées de quarks), c'est la chromodynamique quantique. Seule la théorie de la gravitation reste rétive à ce type d'approche. La théorie électrofaible et la chromodynamique quantique, qui malgré leurs ressemblances, sont deux théories distinctes, forment ce que les physiciens appellent le modèle standard des particules. Celui-ci réussit très bien et est largement accepté. Mais il n'est pas complètement satisfaisant (par exemple, la valeur de quelques paramètres sur lequel il repose n'est pas expliquée par la théorie et doit être déterminée expérimentalement). Aussi les physiciens espèrent-ils être capables de réunir la théorie électrofaible et la chromodynamique quantique en une théorie unique, appelée théorie de grande unification,. Une étape ultérieure serait l'unification de cette théorie et de la théorie de la gravitation. Elle est envisageable dans le cadre de nouvelles théories, pour l'heure hautement spéculatives, les théories des cordes et supercordes, qui renoncent à envisager les particules fondamentales comme des objets ponctuels, mais y voient plutôt des objets linéaires (cordes, supercordes) microscopiques. Les règles du jeuAvant de dire les principales règles qui organisent le monde des particules, un mot des deux piliers sur les sur lequel la physique des particules repose.La
physique quantique.
• Lorsqu'on parle de particule, on n'a souvent en tête qu'un versant de ce qu'est un objet quantique, le corpuscule (lorsque, par exemple on dit que le proton a un diamètre de 0,833 fm, on ne peut pas échaper à l'image mentale d'une sphère microscopique, alors même qu'il y a derrière cette mesure des concepts qui ne sont pas d'une appréhension aussi immédiate); mais l'autre versant doit être considéré à égalité-: l'onde. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, chaque particule est associée à un champ, qui lui-même absorbe ces deux aspects : l'onde est une perturbation du champ; le corpuscule est un quantum de ce champ.Puisque la description corpusculaire et la description ondulatoire sont incompatibles, lorsqu'on étudie les aspects ondulatoires d'un phénomène, on est obligé d'en laisser de côté les aspects corpusculaires, et vice-versa. Tout ce qui caractérise un phénomène n'est donc pas accessible à un instant donné. La connaissance incomplète du phénomène étudié revêt ainsi un caractère nécessairement probabiliste. C'est à quoi se réfèrent les relations d'indétermination de Heisenberg
(1901-1976) : ces relations Heisenberg permettent cependant d'encadrer
à l'intérieur de certaines limites la part d'inconnu.
La
relativité restreinte.
Comme une poignée
d'autres particules, le photon n'a pas de masse, mais il transporte une
énergie et toutes les particules possèdent une énergie. Dans le cas
des particules qui ont une masse au repos, une part de l'énergie qu'elles
transportent peut se manifester au travers de cette cette masse et une
autre part sous d'autres formes (énergie cinétique, notamment). La
masse n'est pas une forme d'énergie (équivalence ne signifie pas identité),
mais elle ne peut pas pas non plus être réduite simplement à lune certaine
«-quantité
de matière », comme la définissait Isaac Newton D'une manière générale, les processus dans lesquels sont engagées les particules (production, destruction, interactions diverses) permettent à l'énergie de se manifester sous ses différentes formes ou comme masse. Pour produire une particule de masse m, il faut disposer d'une énergie E d'au moins mc². (Et en pratique souvent bien supérieure) • Les masses des particules s'expriment normalement en MeV/c² ou en Gev/c². Mais l'équivalence masse-énergie explique qu'on utilise ordinairement (même si c'est abusivement) comme unités de masse les seules unités d'énergie : le MeV (méga-électronvolts) ou le Gev (giga-électronvolts). 1 MeV = 106 eV = 1,602 × 10-13 joules; 1 GeV = 109; eV = 1,602 × 10-10 joules.
Etre
et disparaître.
La notion de durée de vie d'une particule a une valeur statistique; elle correspond à une moyenne de son temps d'existence. Les durées de vie des particules sont en relation avec la principale force à l'oeuvre dans le processus dans lequel la particule est impliquée. • Lorsque des particules se désintègrent en engageant l'interaction nucléaire faible, elles ont des durées de vie qui sont souvent comprise entre 10-6 et 10-13 secondes. La désintégration du neutron, avec sa durée de vie exceptionnellement longue, implique aussi l'interaction faible : en ce désintégrant, le neutron (n) fait apparaître un proton (p), un électron (e-) et un antineutrino ( • Quant aux particules qui se désintègrent sous l'effet de l'interaction nucléaire forte, elles ont des durées de vie souvent encore plus courtes, pouvant descendre au dessous de 10-20 s, voire 10-23 s (cas des résonances). Ce temps peut être plus long, dans le cas de la désintégration de noyaux atomiques. Ainsi la désintégration du noyau de bérylium-8 (8Be) en deux particules alpha (La désintégration spontanée est une des modalité par lesquelles les particules peuvent disparaître. On a vu plus haut que les particules peuvent disparaître aussi selon un autre processus, l'annihilation d'une paire particule-antiparticule. Ici, on a affaire à un cas particulier de collision, mais toutes les collisions en général, à condition que l'énergie en jeu soit suffisante, peuvent aboutir à disparition de la ou les particules impliquées. Les lois de conservation auxquelles sont soumises les particules font que si une particule disparaît d'autres particules sont alors créées. Les trois forces fondamentales agissant à l'échelle des particules, encadrées par ces lois de conservation, sont la clé de l'apparition ( = création) des particules, de leur disparition ( = annihilation) et des phénomènes qui peuvent les affecter entre ces deux extrêmes. • Dans le phénomène dediffusion deux particules sont sensibles à leur présence mutuelle (effet de la force qui s'exerce entre elles), mais seules leur masse-énergie et leur quantité de mouvement (modification de leur trajectoire) sont affectées par l'interaction.Les lois de conservation. Parmi les lois de conservation, certaines sont bien connues à notre échelle. Telles sont, par exemple, la conservation de l'énergie, de l'impulsion ( = quantité de mouvement), du moment cinétique, etc. Ces lois restent impérieuses à l'échelle des particules. D'autres lois, de caractère quantique doivent aussi être ajoutées. Les plus communes sont sans doute la loi de conservation du spin et celle de conservation de la charge électrique. Ainsi, par exemple, lorsqu'une particule porteuse d'une charge électrique positive - disons un proton - disparaît, la charge, elle, ne disparaît pas. Or une charge suspendue dans le vide, ça n'existe pas (par définition, une propriété est toujours la propriété de quelque chose...) : il faut qu'elle soit attachée à une nouvelle particule qui succède d'une manière ou d'une autre au proton. La disparition d'une particule s'accompagne donc toujours de l'apparition d'une ou de plusieurs autres particules, qui ensemble pourront endosser des propriétés à conserver de la particule disparue. On va voir que la conservation d'autres quantités attachées aux particules élémentaires permettent de préciser encore davantage les règles du jeu et de prédire, jusqu'à un certain point, quelles seront les particules produites, et en tout cas d'écarter les processus qui ne peuvent absolument pas avoir lieu. Les processus dans
lesquels sont engagées les particules élémentaires peuvent se noter
selon des conventions analogues à celles que l'on utilise pour écrire
les réactions chimiques. Ainsi, l'annihilation de d'une paire électron-position
lors d'une collision pourra s'écrire : e- + e+ La désintégration du neutron (n), quant
à elle produit un proton (p), un électron (e-) et un antineutrino
électronique ( Les forces en présenceLe mécanisme de Yukawa.Champs et particules de champ. Les physiciens se préoccupent depuis longtemps de la manière dont les forces sont transmises à distance (un des principaux reproches faits par les Cartésiens à la loi de l'attraction universelle de Newton relevait de ce questionnement). Le concept de champ de forces, sans apporter de réponse véritable à la question permet de la reformuler. Un tel champ, au sens de la physique classique, est une entité s'étendant dans l'espace à partir d'un point défini comme sa source, et qui permet de déduire en chaque point de l'espace la valeur de la force exercée par cette source. Or, avec les concepts physiques qui ont vu le jour dans les premières décennies du XXe siècle, il est apparu qu'une particule pouvait aussi être représentée par un champ. D'où l'hypothèse raisonnable qu'un champ de force d'un type particulier pouvait aussi se voir associer une particule d'un type qui soit propre à ce champ. C'est bien l'idée que se font aujourd'hui les physiciens pour qui les forces fondamentales sont portées par des particules spécifiques. Encore a-t-il fallu, aussi dire par quel mécanisme l'action de la force pouvait se faire sentir. L'énigme
de la force forte.
La
particule de Yukawa.
Pour Yukawa, si un proton ressentait la force qu'exerçait sur lui un autre proton, c'était que celui-ci lui adressait une de ces particules nouvelles, un de ces pions. La force s'exerçant dans les deux sens, des pions devaient aussi aller dans le sens opposé, et, au final, le mécanisme expliquant la force forte (et partant toutes les autres forces s'exerçant entre particules) devait être vu comme un échange de particules porteuses de force. Restait un problème : comment ces particules pouvaient-elle apparaître et disparaître sans violer, dans l'intervalle, quelques lois impérieuses de la nature, à commencer par la loi de conservation de l'énergie? La solution apportée
par Yukawa et toujours acceptée aujourd'hui repose sur une notion clé
de la physique, les relations d'indétermination d'Heisenberg.
De telles particules (comme le pion ci-dessus) sont appelées particules virtuelles, car elles ne peuvent pas être directement observés. Leurs effets, en revanche, sont bien réels. La
découverte de la particule de Yukawa.
Il est cependant apparu plus tard que la particule de Yukawa, le pion (un méson), n'est pas véritablement la particule médiatrice de l'interaction forte, entendue comme interaction fondamentale. Cela tient à ce que les pions comme les protons ou les neutrons sont des particules composites, et la force qui réunit entre eux les nucléons n'est qu'un effet résiduel de la véritable force forte qui agit, elle, entre les composants des nucléons et des mésons, c'est-à -dire entre les quarks. Cette particule fondamentale médiatrice de la force forte est le gluon. Il en existe huit variétés ou saveurs. S'il y avait eu méprise sur l'identité du médiateur, le mécanisme invoqué par Yukawa n'en restait pas moins valable. Il est toujours pertinent pour expliquer les forces fondamentales : elles sont toutes transmises par l'échange d'une particule porteuse (un boson), exactement. comme ce que Yukawa avait en tête pour la force nucléaire forte. Chaque particule porteuse est une particule virtuelle - elle ne peut pas être observée directement. On dit ainsi que les photons (virtuels) «-transportent » la force entre les particules chargées électriquement; de même, l'attraction entre deux quarks dans une particule composite se produit lorsque deux quarks échangent des gluons. Et l'on pourrait dire une chose similaire à propos des bosons W et Z, qui transportent une force nucléaire faible. Les
théories de jauge.
A ce jour, seules les théories de l'électromagnétisme, de la force faible et de la force forte entrent véritablement dans ce cadre. Les tentatives pour exprimer la gravitation dans le cadre d'une théorie de jauge (gravitation quantique) se sont heurtées à des problèmes insurmontables (irruptions intempestives de quantités infinies). Une particule hypothétique, dépourvue de masse, le graviton, est toutefois postulée pour expliquer cette force. Forces fondamentales et bosons de jauge
qui devrait avoir un spin égal à 2. L'antimatièreParticules et antiparticules.Dans les années 1920, Paul Dirac
(1902-1984) a été le premier à développer une approche de la physique
quantique qui intégrait les principes de la relativité restreinte. En
1928, il donnaît ainsi un théorie complète de l'électron relativiste
qui expliquait l'origine de son spin et de son moment magnétique. Cette
théorie jetait les bases de l'électrodynamique quantique, qui est la
théorie actellement admise de l'électromagnétisme. Elle avait aussi
un versant inattendu : l'équation relativiste décrivant l'électron admettait
aussi des solutions correspondant à une particule identique mais de charge
positive. Dans un premier temps, Dirac a cru pouvoir l'identifier au proton,
mais bientôt, notamment grâce à la contribution de Robert Oppenheimer
(1904-1967), il a été en mesure d' affirmer qu'il s'agissait plutôt
d'une toute nouvelle particule : une particule de même masse que l'électron,
mais de charche électrique opposée, autrement dit un électron chargé
positivement. On a appelé cette particule l'anti-électron ou positon,
ou encore positron.
En 1932, Carl Anderson
(1905-1991), en utilisant les traces produite par les rayons cosmiques
dans une chambre à brouillard, a observé pour la première fois les traces
laissées par de particules de même masse que l'électron (e-),
mais déviées dans un sens opposé par un champ magnétique (donc de charge
positive), et qui pouvaient être identifiées comme provoquées par des
antiélectrons (e+). La découverte fut
confirmée et le positon apparut comme le premier exemple connu d'antimatière.
On montra aussi que le positon est la même particule que celle émise
dans la désintégration La matière et
son double.
• Lorsqu'on considère une particules chargée électriquement, son antiparticule possède la charge électrique opposée (par exemple, le positon est positif tandis que l'électron est négatif).Annihilations et créations de paires.• L'antiparticule d'une particule diffère aussi par son moment magnétique et par d'autres caractéristiques qui seront mentionnés plus bas en parlant des lois de conservation. Ainsi, les particules neutres électriquement ont aussi leur antiparticule. Citons le neutron n dont l'antiparticule (antineutron) est notée Lorsqu'une particule et son antiparticule interagissent, elles s'annihilent, convertissant généralement totalement leurs masses en énergie pure sous forme de photons gamma (rayonnement de haute énergie ). Telle est l'annihilation électron-positon. Dans ce processus l'électron et le positron disparaissent complètement et deux photons sont produits à leur place. La production d'un seul photon violerait la conservation de la quantité de mouvement. Les deux photons se partagent aussi toute l'énergie des deux électrons (leur énergie cinétique plus leur énergie de masse 2mec², où me est la masse au repos d'un électron). • Antimatière et médecine. L'annihilation électron-positon est utilisée dans une technique imagerie médicale appelée tomographie par émission de positons (TEP ou PET en anglais) couplée à un scanner (PET-scan). Le patient reçoit une injection d'un radiotraceur (une solution de glucose contenant une substance radioactive qui se désintègre en raison de l'émission de positons), qui est transporté dans tout le corps par le sang. Chaque fois qu'un positon émis par la désintégrationLa réaction e- + e+ 
2
peut également se dérouler dans le sens inverse : deux photons peuvent
s'annihiler pour produire une paire d'électrons et de positons (+
e-+ e+
).
Il se peut aussi qu'un seul photon produise une paire électron-positon
dans un processus appelé production de paires.
• Dans ce processus, un photon gamma d'énergie suffisamment élevée interagit avec un noyau atomique A, et une paire électron-positon est créée à partir de ce photon :Les anti-atomes. Lorsque une antiparticule est crée (et a fortiori lorsqu'un édifice d'antimatière est constitué) elle s'annihile très rapidement car notre environnement est constitué presque exclusivement de matière. Cependant, il est possible de contenir des particules d'antimatière à grande échelle telles que les antiprotons en utilisant des pièges électromagnétiques qui confinent les particules dans un champ magnétique afin qu'elles ne s'annihilent pas avec d'autres particules. Cela reste difficile. Les particules de même charge se repoussent, donc plus il y a de particules contenues dans un piège, plus il faut d'énergie pour alimenter le champ magnétique qui les contient. Il n'est actuellement pas possible de stocker une quantité importante d'antiprotons, par exemple. Les mêmes forces qui maintiennent ensemble la matière ordinaire assurent la cohésion de l'antimatière. Dans les bonnes conditions, il est possible de créer des anti-atomes. Dans les anti-atomes, les positons évoluent autour d'un noyau chargé négativement composé d'antiprotons et d'antineutrons. Des atomes d'anti-hydrogène, constitués d'un antiproton et d'un antiélectron, ont également été observés en 1995 au CERN. L'anti-oxygène et même l'anti-molécule d'anti-eau ont aussi pu être créés. Où
est passée l'antimatière?
Classifications des particules élémentairesLes particules élémentaires peuvent être classées de différentes manières. On se réfère ordinairement à leur classification selon leur propriété de spin et à celle selon leur sensibilité aux forces fondamentales.Classification
selon le spin.
• Le spin d'une particule est un nombre quantique abstrait attaché à chaque particule et qui s'interprête comme son moment cinétique intrinsèque (c'est l'analogue quantique de la mesure de la rotation d'un objet macroscopique autour de son axe; le concept s'applique non seulement aux particules composites, mais aussi aux leptons et aux quarks que l'on suppose sans extension spatiale et donc pour lesquels on ne pourrait pas, avec les concepts macroscopiques, parler de « rotation »). Fermions et bosons. Fermions et les bosons ont des comportements collectifs différents. • Les fermions. - Les fermions ont un spin demi-entier (1/2.L'indiscernabilité des particules. Le comportement des fermions et des bosons en groupes peut être compris en termes de propriété d'indiscernabilité. Les particules sont dites indiscernables si elles sont identiques les unes aux autres. Par exemple, les électrons sont indiscernables parce que chaque électron de l'univers a exactement la même masse et le même spin que tous les autres électrons. Si l'on permute deux
particules indiscernables dans la même petite région de l'espace, le
carré du module de la fonction d'onde (| Les fermions sont dits « antisymétriques par permutation » et les bosons sont «-symétriques par permutation ». Le principe d'exclusion de Pauli est une conséquence de la symétrie par permutation des fermions. La structure électronique des atomes est fondée sur le principe d'exclusion de Pauli et est donc directement liée à l'indiscernabilité des électrons. Classification
selon les interactions.
On distingue alors les hadrons, qui sont les particules sensibles à la force forte et les leptons, qui n'y sont pas sensibles. Les
hadrons.
• Les quarks. - Il existe six quarks (on dit aussi : six saveurs de quarks), divisés en deux groupes. Il s'agit des quarks u (up), c (charm) et t (top ou truth), d'une part, et des quarks d (down), s (strange) et b (bottom ou beauty), de l'autre. Les membres d'un même groupe de particules partage les mêmes propriétés mais diffère en masse. Par exemple, la masse du quark top est beaucoup plus grande que celle du quark charm, et la masse du quark charm est beaucoup plus grande que celle du quark up.Selon que les hadrons sont composés de deux où trois quarks, on les range respectivement dans la catégorie des mésons ou dans celle des baryons. • Les mésons sont des hadrons formés d'un quark et d'un anti-quark. Par exemple, le mésonLes leptons. Les leptons (du grec leptos, qui signifie « petit » ou « léger ») sont considérés comme des particules fondamentales (particules indécomposables). Ils participent aux interactions faible, électromagnétique et gravitationnelle, mais ne participent pas à l'interaction forte. On connaît six leptons, qui correspondent à deux types de particules : • Le premier comprend l'électron (e), et deux autres particules de charge électrique négative qui lui sont similaires, mais qui sont plus massives : le muon (µ) et tau ou tauon (Tous les leptons ont un spin 1/2. Les leptons sont considérées comme des particules fondamentales parce qu'ils n'ont pas de structure sous-jacente apparente. Ils n'ont pas non plus de taille discernable au-dessus de celle que définit leur longueur d'onde, soit au-dessus d'environ 10-18 m. Récapitulatif
des particules fondamentales.
On distingue parmi les particules de matière deux types de particules, les six quarks et les six leptons (et leurs antiparticules respectives), qui eux-mêmes peuvent s'organiser en trois familles analogues (colonnes verticales de la rubrique des fermions dans le tableau ci-dessous). Chaque famille comporte deux quarks, un lepton chargé électriquement et un lepton neutre (neutrino). La première famille est celle de la matière ordinaire, dont la plupart des choses sont composées. Les deux autres (dont les particules sont de plus plus massives en allant de la gauche vers la droite du tableau) représentent ce qu'on appelle la matière exotique. Aucune logique sous-jacente
n'est à chercher dans la manière dont on a rangé dans le tableau les
différentes particules porteuses des forces. L'interaction électromagnétique
concerne les leptons chargés électriquement (electron, muon, tauon) et
les quarks; l'interaction forte ne concerne que les quarks. Les neutrinos
ne sont sensibles qu'à l'interaction faible (et à la gravitation). Toutes
les particules sont sensibles à la gravitation.
Lois de conservation des particulesUne des idées les plus importantes de la physique est que chaque fois que quelque chose est possible, cela se produit immanquablement. Et si toutes les choses possibles ne se produisent pas en même temps (l'univers, dans ce cas, se serait écroulé en bien mois que deux jours...), c'est parce que que certaines sont plus probables que d'autres. Les choses les plus probables tendent à se produire plus tôt, les autres se produisent plus tard. Si quelque chose ne se produit pas, c'est que c'est interdit par une règle. Les lois de conservation font partie de ces règles. Lorsqu'une particule est impliquée dans un processus, ce sont les règles de conservation qui disent ce qui est possible (avec un degré de probabilité déterminé par la théorie et le calcul) et ce qui est impossible.La physique classique obéit déjà à certaines certaines lois de conservation. Par exemple, la charge est conservée dans tous les phénomènes électrostatiques. La charge perdue à un endroit est gagnée dans un autre car la charge est transportée par des particules. Aucun processus physique connu ne viole la conservation de la charge. Il existe aussi des preuves solides que l'énergie, la quantité de mouvement et le moment angulaire obéissent à des lois de conservation. Toutes ces lois régissent aussi le monde des particules élémentaires, qui ajoute à sa législation la nécessité de conserver des quantités, appelées nombres quantiques, qui ne concernent que les particules, tels sont les nombres leptoniques L, le nombre baryonique B, ou l'étrangeté S, pour ne citer que les plus importantes. • Les nombres quantiques peuvent être des grandeurs dimensionnées, c'est-à -dire s'exprimant en certaines unités. C'est le cas du spin exprimé en unitésConservation du nombre leptonique. Il n'existe que six leptons (et leurs six antiparticules). Trois leptons sont chargés électriquement (e, µ,  )
et trois sont neutres (neutrinos). L'électron est associé au neutrino
électronique ( ),
le muon au neutrino muonique ( )
et le tauon au neutrino tauique ( ).
Ces associations définissent trois familles ou générations de leptons
dont les membres peuvent être caractérisés par un paramètre particulier
intervenant lors des interactions faibles et appelé nombre leptonique.
Il y a ainsi trois nombres leptoniques différents : Le nombre leptonique
électronique  ,
le nombre leptonique muonique 
et le nombre leptonique tauique 
•La conservation des nombres leptoniques stipule que lorsqu'une réaction ou une désintégration se produit, la somme de chacun des nombres leptoniques avant le processus doit être égale à la somme de chacun des nombres de leptoniques après le processus. Chacune de ces quantités doit être conservée séparément. Les six leptons
(*) Le symbole 
signale les particules stables. Les leptons sont divisés en trois familles
(ou trois générations), chacune composée d'un lepton chargé électriquement
et du neutrino qui lui est associé.Pour illustrer cette loi de conservation, considérons le processus de désintégration en deux étapes suivant : Dans la première désintégration, tous les nombres leptoniques pour  +
sont égaux à 0, puisque les les pions ne sont pas des leptons. Mais pour
les produits de cette désintégration, on a :
= -1 pour µ+ et
= 1 pour .
La somme de ces deux nombres (-1) + (1) est égale à 0. Par conséquent,
le nombre leptonique muonique est conservé. Aucun électron ou tauon n'est
impliqué dans cette désintégration, donc
= 0 et
= 0 pour la particule initiale et tous les produits de désintégration.
Ainsi, les nombres leptoniques électronique et tauique sont également
conservés.
Dans la seconde désintégration,
µ+ a pour nombre leptonique muonique Enfin, comme aucun
tauon n'est impliqué dans ce désintégration, le nombre leptonique tauique,
nul au départ comme à l'arrivée, est également conservé.
D'autres
exemples.
• Prédit dès 1931 par Wolfgang Pauli, le neutrino (en fait l'antineutrino électronique dans le cas présent) a été découvert expérimentalement en 1956 à partir de l'étude de la désintégration du neutron, selon le schéma nConservation du nombre baryonique. On vient de voir le mode de désintégration du neutron responsable de la radioactivité  .
A ce point, on pourait envisager d'autres modes de désintégration, tels
que, par exemple celle qui suivrait le schéma n
e+ + e-.
Aucune loi de conservation considérée jusqu'à présent ne s'oppose Ã
ce processus : la charge électrique et les nombres leptoniques sont conservés
(et on peut imaginer un contexte dans lequel l'énergie et l'impulsion
le sont aussi). Une telle réaction n'a cependant jamais été observée.
Pour rendre compte de cela, on introduit une nouveau nombre quantique,
celui-ci attaché aussi à toutes les particules, mais qui prend une valeur
non-nulle seulement pour les baryons. Il s'agit du nombre baryonique B
:
• B = 1 pour les baryons; B = -1 pour les anti-baryons, et donc B= 0 pour toutes les autres particules.Loi de conservation stipulera que le nombre baryonique est conservé (en plus de tous les autres nombres) lors de tous les processus (réaction nucléaire, désintégration) dans lesquels sont impliquées les particules. On peut vérifier que la désintégration du neutron selon n p
+ e + 
conserve le nombre baryonique. De même pour le processus de collision
proton-antiproton p + 
p + p +
+
qui satisfait lui aussi la loi de conservation du nombre baryonique
(nul avant et après l'interaction) : 1 + (-1) = 1+1 + (-1) + (-1)
= 0.
• Si le nombre baryonique est conservé, le proton, qui est le baryon le moins massif, doit être absolument stable (= il ne peut pas se désintégrer spontanément). Cependant, certaines théories actuellement élaborées afin d'unifier les différentes les interactions fondamentales (V. plus bas le paragraphe sur les théories supersymétriques) admettent que le nombre baryonique puisse ne pas être absolument conservé. Le proton serait alors instable.Conservation de l'étrangeté. À la fin des années 1940 et au début des années 1950, des expériences sur les rayons cosmiques ont révélé l'existence de particules qui n'avaient jamais été observées sur Terre. Ces particules étaient produites lors de collisions de pions avec des protons ou des neutrons dans l'atmosphère. Leur production et leur décomposition étaient inhabituelles. • Ces particules étaient produites dans les interactions nucléaires fortes entre des pions et des nucléons, et l'on pouvait en déduire qu'on avait affaire à des hadrons; cependant, leur désintégration était médiée par l'interaction nucléaire faible à action beaucoup plus lente. Leur durées de vie étaient de l'ordre de 10-10 secondes (cas, par exemple, des particulesPour ces raisons, et aussi parce qu'aucun processus physique ne semblait les rendre nécessaires (les processus auxquels elle participaient aurait pu se produire à l'identique sans elles), ces particules nouvellement découvertes ont été décrites comme étranges. Si une réaction telle que -+
p n + K0
n'est
jamais observée, c'est parce qu'il doit exister une loi qui assure la
conservation d'un nouveau nombre quantique appelé l'étrangeté,
dont le sympole est S.
- Les particules étranges sont toutes des particules composites (hadrons). On verra plus loin que leur étrangeté tient à ce qu'elles contiennent toutes au moins un quark particulier, que l'on a nommé en toute logique le quark s ou quark étrange ( = strange en anglais). Ainsi le nombre quantique S est-il défini comme le nombre de quark s contenus dans la particule, assorti des signes plus ou moins selon que l'on a affaire à une particule ou à son antiparticule. • S = 0 pour toutes les particules qui ne contiennent pas de quark étrange.L'étrangeté est conservée par la force nucléaire forte, qui régit la production de la plupart de des particules étranges, mais elle n'est pas conservée par la force nucléaire faible.• S = ±1 pour les mésons étranges (kaons). Historiquement, la conservation de l'étrangeté a été le premier exemple connu d'une loi de conservation dont le champ d'application est seulement partiel. On va voir qu'un autre nombre quantique, appelé le charme, se conserve lui aussi seulement partiellement. La première particule charmée (c'est-à -dire de charme non nul) a été identifiée en 1974. Cette découverte a joué un rôle important dans la consolidation de la théorie des quarks dont il va être question maintenant. Exemples de hadrons
=
=
= 0Les quarksAu début des années 1960, les physiciens avaient découvert de nombreuse nouvelles particules (les hadrons) et se trouvaient dans une situation similaire à celle qu'avaient connu avant eux les chimistes devant la profusion de corps simples. Les chimistes avaient réussi, à travers la classification périodique des éléments, à découvrir un principe d'ordre qui trouvait son explication dans la structure des atomes. Il s'agissait désormais de découvrir à quel principe d'ordre obéissaient les particules élémentaires. La solution a été élaborée en 1963, indépendamment par Murray Gell-Mann (1929-2019) et George Zweig (né en 1937), qui ont découvert l'équivalent de leur « classification périodique », en inscrivant les relations qui existaient entre hadrons alors connus dans un schéma offert par la la théorie mathématique des groupes. Cet ordonancement suggérait (mais on s'en doutait déjà ) que les hadrons n'étaient pas vraiment fondamentaux et qu'ils étaient constitués à partir de combinaisons de seulement trois particules ponctuelles, plus fondamentales, auxquelles Gell-Mann a donné le nom de quarks, d'après un mot tiré d'un roman de James Joyce. Zweig appelait as (aces en anglais) ces mêmes particules.- 
. Le passage du roman de James Joyce Finnegans Wake (1939), dans lequel Murray Gell-Mann a puisé le mot quark, qui serait une forme ancienne du verbe to croak = croasser. A l'époque trois types (ou saveurs) de quarks seulement (auxquels s'ajoutaient leurs trois antiquarks) permettaient de rendre compte de tout le « zoo des particules » connues, en tout cas de tous les baryons et de tous les mésons. Il s'agissait des quarks appelés up (u), down (d) et strange (s). La théorie confère aux quarks un spin demi-entier : ce sont donc des fermions. Tous les mésons ont un spin entier tandis que tous les baryons ont un spin demi-entier. Par conséquent, les mésons doivent être constitués d'un nombre pair de quarks tandis que les baryons doivent être constitués d'un nombre impair de quarks. De fait, les mésons sont constitués d'un quark (spin 1/2) et d'un antiquark (spin -1/2) et le spin total est donc 0. Le proton, qui est un exemple de baryon, est composés de trois quarks, deux de même spin (1/2+1/2) et un troisième de spin opposé (-1/2); au total cela fait un spin de 1/2. Puisque les baryons sont composés de trois quarks, le nombre baryonique d'un quark doit être fractionnaire : B = 1/3. Mais, la proposition la plus radicale de Gell-Mann et Zweig était que les quarks avaient en outre des charges électriques fractionnaires (± 2/3 et ±1/3), alors que toutes les particules directement observées ont des charges entières ou nulles (multiples entiers la charge de l'électron, qe, l'unité de charge). • La valeur fractionnaire du quark ne viole pas le fait que qe (la charge de l'électron) soit la plus petite unité de charge observée, car un quark isolé ne peut pas exister, du moins aux températures ordinaires.Les six quarks. La théorie à trois saveurs de quarks (u, d, s) de Gell-Mann et Zweig est appelée le modèle original des quarks. Les découvertes faites depuis 1963 ont nécessité trois saveurs de quark supplémentaires : les quarks charmé (c), bottom (b) et top (t). • De même qu'un quark u pouvait être associé a un quark d, après la découverte du quark s, la théorie prédisait l'existence d'un quark qui pourrait lui être associé, le quark c (quark charmé). La première particule contenant un tel quark a été découverte indépendamment et presque simultanément en novembre 1974, par deux groupes (l'un dirigé par C. C. Ting au Brookhaven National Laboratory et l'autre par Burton Richter à l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC). Il s'agissait d'un méson dont la sous-structure était clairement--
• Tous les quarks ont un spin s = 1/2 et un nombre baryonique B = 1/3. Ils ont aussi tous leur antiparticule (de mêmes spin et masse et de charge électrique opposée) caractérisée par des nombres quantiques (charge, B, S, c, b et t) de signes opposés.Des preuves! on veut des preuves! Lorsque Gell-Mann et Zweig ont proposé les trois saveurs originales de quark, les particules correspondant à toutes les combinaisons de ces trois n'avaient pas été observées. Tout comme cela avait été le cas dans le tableau périodique des éléments, toutes les cases n'étaient pas remplies. Ainsi, manquait-il, par exemple, la particule composée de trois quarks étranges (sss), que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de particule  -.
Mais la théorie des quarks permettait de prévoir, non seulement son étrangeté,
mais aussi son spin, sa charge électrique, sa masse et sa durée de vie
approximatives. Il devait donc être possible de l'identifier expérimentalement,
et sa découverte n'a d'ailleurs pas tardé (1964, Bookhaven National Laboratory).
Ce n'était pourtant là qu'une preuve indirecte de l'existence des
quarks.
- Des indications expérimentales plus solides de l'existence de quarks sont ont été produites grâce à une série d'expériences réalisées avec l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) et au CERN. Dans les deux cas, il s'agissait de sonder la structure du proton par des expériences de difffusion, à la manière dont Rutherford
(1871-1937), une soixantaine d'années plus tôt, avait étudié la structure
interne du atome avec ses expériences de diffusion de particules  .
Les expériences du SLAC, menées dès 1967, reposaient sur le bombardement
des protons par des électrons hautement accélérés. Elles ont montré
que certains électrons étaient déviés à de très grands angles, indiquant
l'existence de trois petits centres de diffusion dans le proton. La distribution
des déviations constatées était cohérente avec la dispersion des électrons
à partir de sites ayant un spin 1/2, le spin des quarks. Les observations
menées dans la foulée au CERN, ont quant à elles, concerné la diffusion
de neutrinos à la place des électrons, et elles ont elles ont aussi mis
en évidence l'existence de minuscules centres de diffusion. Dans les deux
cas, les résultats suggèraient pour les particules diffusantes des charches
électriques en accord avec le modèle des quarks.
Les expériences menées depuis, impliquant des énergies beaucoup plus élevées et donc des résultats beaucoup plus précis, n'ont fait que confirmé les résultats précédents. Mais il notable, qu'à ce jour et peut-être encore pour longtemps, il n'a pas été possible d'observer un quark isolé. Aux énergies aujourd'hui accessibles, les quarks restent toujours liés à d'autres quarks. La force forte est vraiment forte : dans la théorie dont elle relève et qui rend compte de cette propriété, on parle du confinement des quarks. Les interactions entre quarks les maintiennent dans une très petite région de l'espace, dans laquelle, cependant, ils sont libres de ce déplacer. La théorie connaît cette deuxième propriété sous le nom de liberté asympotique. Ajoutons qu'il existe aussi des preuves indirectes de l'existence de gluons dans les nucléons. Lorsque des électrons de haute énergie sont diffusés par des nucléons, révélant ainsi la présence des quarks, les impulsions de ces quarks sont plus petites qu'elles ne le seraient s'il n'y avait pas de gluons. Cela signifie que les gluons transportant la force entre les quarks portent également une certaine quantité de mouvement. • A défaut, de pouvoir observer des quarks véritablement libres, les physiciens du CERN pensent avoir avoir mis en évidence, en 2000, grâce à des collisions de noyaux de plomb, un plasma formé de quarks et de gluons, dans lequel les quarks ne forment donc aucun hadron. Les études et du plasma quark-gluons continuent d'être réalisées, notamment grâce au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) de Brookhaven.Les combinaisons de quarks. Comme on l'a dit, les quarks se lient par trois pour former les baryons ou par deux (paire quark-antiquark) pour former les mésons. Les
baryons.
Exemples de baryons
• La matière baryonique ordinaire (protons, neutrons) est constituée des seuls quarks u et d. • Un seul baryon est stable, le proton. Le neutron, stable lorsqu'il est lié au proton dans les noyaux atomiques, se désintègre spontanément en un peu moins d'un quart d'heure. Les autres baryons ont une durée de vie beaucoup courte, souvent d'un dix-milliardième de seconde, ou bien plus courte encore.Les mésons. Les mésons sont des particules instables composés d'un quark et d'un antiquark. En voici quelques exemples : Exemples de mésons
• Le mésonLa force faible change la saveur des quarks. L'interaction faible transforme n'importe quel quark en n'importe quel autre. Non seulement pouvons-nous avoir d
u, mais aussi aussi obtenir u
d, ou encore s
u et s d (ce
qui constitue une violation de la loi de conservation de l'étrangeté
par la force faible), b
u, etc.
La force nucléaire forte ne peut pas, quant à elle, changer la saveur d'un quark. En revanche, elle change sa couleur... La couleur des
quarks.
Cette propriété, qui conduit à multiplier par trois le nombre de quarks, est un nouveau nombre quantique, appelée couleur. Chaque quark, de la même façon qu'il a une charge électrique qui peut être positive ou négative, a donc aussi une couleur (ce nombre quantique ne concerne que les quarks, les lepton sont neutres du point de vue de la couleur). La couleur joue le même rôle dans l'interaction nucléaire forte que la charge électrique dans les interactions électromagnétiques. Pour cette raison, la couleur des quarks est parfois appelée charge forte. Bien que le concept de couleur dans le modèle des quarks ait été conçu à l'origine pour satisfaire le principe d'exclusion, il fournit également une meilleure théorie pour expliquer certains résultats expérimentaux. Par exemple, la théorie modifiée prédit correctement la durée de vie du méson pi°. Chaque type de quark (u, d, c, s, b, t) peut posséder chacune des couleurs. Par exemple, trois quarks étranges existent : un quark étrange rouge, un quark étrange vert et un quark étrange bleu. Les antiquarks possèdent des anticouleurs. La théorie de la
façon dont les quarks interagissent les uns avec les autres est connue
sous le nom de chromodynamique quantique, appellation qui fait pendant
à celle d'électrodynamique quantique donnée à la théorie de l'interaction
entre particules chargées électriquement. La couleur est à la force
forte ce que la charge électrique est à la force électromagnétique.
Mais alors que la charge électrique ne peut prendre que deux valeurs (+1
et -1), la couleur peut en prendre trois : le rouge (R), le vert (G pour
green)
et le bleu (B). Les antiquarks ont trois valeurs que nous appelons antirouge
ou cyan ( Ces noms ont été choisis de sorte, que par analogie avec les couleurs visuelles, la combinaison de trois couleurs primaires ou la combinons d'une couleur et son complémentaire, sont vue par l'oeil comme du blanc. Entendons bien que les couleurs ici ne sont que des étiquettes : les quarks ne sont pas réellement colorés. La couleur des quarks n'a rien à voir avec que nous ressentons avec la lumière visible, mais ses propriétés sont analogues à celles de trois couleurs primaires et de trois couleurs secondaires : lorsqu'une particule combine un quark rouge, un quark vert et un quark bleu (baryon), on pourra dire qu'elle est incolore, ce qui pour la charge forte correspond à la neutralité pour la charge électromagnétique. Les
hadrons sont incolores... pas les gluons.
Les gluons, les particules de champ médiatrices de l'interaction forte, sont, comme les photons, des particules sans masse et de spin 1. Mais ces deux types de particules diffèrent grandement sur d'autres points. On sait que le photon, médiateur de la force électromagnétique entre particules chargées électriquement ne porte pas lui-même de charge. Deux des huit gluons sont dans une situation similaire : ils ne portent pas de charge de couleur (ils sont incolores), mais les six autres sont, eux, porteurs chacun d'une couleur et d'une anticouleur. Autrement dit, les gluons sont sensibles à l'interaction forte comme les quarks. Cela complique sensiblement la chromodynamique quantique. Tétraquarks
et pentaquarks.
L'unification des forcesUn des principaux sujets d'étonnement lorsqu'on étudie la physique est que l'immense multiplicité des phénomènes connus peut être ramenée en dernière analyse à l'action de seulement quatre forces fondamentales. Mais il est peut-être possible d'aller plus loin et d'imaginer que ces quatres forces ne sont que les expressions d'une force unique qui se manifesterait à très haute énergie.Si l'on excepte la gravitation, les autres trois forces - celles qui sont abordées en termes quantiques - sont aujourd'hui comprises au sein d'un même cadre théorique général (celui des théories de jauge). Il n'est pas absurde de penser qu'une théorie de jauge « plus grande » puisse « contenir » les théories existantes et rendre compte des différentes d'interactions observées à partir d'un seul principe. L'effort de la physique
vise au même objectif depuis les spéculations des anciens Grecs sur la
matière ( Un argument supplémentaire apparaît lorsqu'on compareles intensités intrinsèques des différentes forces. Ces intensités sont mesurés par un paramètre propre à chaque théorie et appelé la constante de couplage. On sait ainsi que la force électromagnétique est 10-2 fois plus faible que la force forte; la force faible est 10-13 fois plus faible que cette dernière, et la force gravitationnelle est 10-38 fois plus faible. Mais ces ordres de grandeurs ne valent qu'aux échelles d'énergie qui caractérisent l'univers actuel. Dans les accélérateurs de particules, des énergies beaucoup plus élevées peuvent être atteintes, correspondant aux températures qui régnaient dans les premières fractions de seconde après le début de l'expansion cosmique. Or, on constate alors que plus la distance sondée est petite, plus la température est élevée, plus l'énergie impliquée est grande, et plus les constantes de couplage caractérisant chaque force, loin d'être de vraies constantes, tendent à converger vers une valeur unique. Les technologies actuelles ne permettent pas d'atteindre les conditions où elles pourraient se confondre. Mais, ici encore, il n'est pas absurde de supposer qu'à une époque très précoce de l'histoire cosmique, une unique constante de couplage rendait les différentes forces indiscernables. Dans une telle situation, tous les phénomènes peuvent s'expliquer comme les effets de l'action d'une force unique, d'un unique principe d'interaction. La théorie électrofaible.
La théorie électrofaible faisait de nombreuses prédictions concrètes, mais la plus spectaculaire a été peut-être la prédiction des masses des particules porteuses de la force faible, les bosons W+, W– et Z0 , qui devaient être d'environ 82 GeV/c² et 93 GeV/c², respectivement. En 1983, ces particules ont éffectivement été observées au CERN avec les caractéristiques attendues (masses, spin, etc.). Cette découverte expérimentale, a valu le prix Nobel 1984 aux chefs de l'expérience, Carlo Rubbia (né en 1934) et Simon van der Meer (1925-2011). Les théoriciens Weinberg, Glashow et Salam avaient déjà reçu en 1979 le prix Nobel pour leurs travaux. Le
boson de Higgs.
Le comportement lorsque l'on passe des énergies supérieures aux énergies inférieures est connu sous le nom de brisure de symétrie, car les forces sont similaires, ou symétriques, aux hautes énergies, mais sont très différentes aux basses énergies. A partir des énergies de repos des bosons W et Z qui ne sont pas égales à zéro, se pose la question de l'origine des masses des particules. Pour résoudre ce problème, un mécanisme capable de briser la symétrie électrofaible a été proposé dès 1964 par Robert Brout (1928-2011), puis approfondi principalement par François Englert (né en 1932) et Peter Higgs (né en 1929). Ce mécanisme impliquait l'intervention d'un champ d'un genre nouveau, associé à une particule connue aujourd'hui sous le nom de boson de Higgs (une appellation qui, en toute justice, aurait du se référer à Brout, si une erreur de date, entérinée par d'autres, n'avait pas été commise par S. Weinberg dans un article sur le sujet...). Le modèle standard modifié comprend le boson de Higgs, qui fournit une explication logique et cohérente de la masse des bosons W et Z. Il est possible, de plus, que la masse de toutes les particules massives puisse être comprise comme l'effet de leur interaction avec le champ de Higgs. • On qualifie le boson de Higgs de boson scalaire. Cela tient à la nature du champ qui lui est associé; un champ scalaire est un champ dont la valeur qu'il prend en chaque point de l'espace est un simple nombre (= scalaire).Les expériences au LHC (Grand collisionneur de hadrons) du CERN ont présenté en 2012 des preuves d'un boson de Higgs d'une masse de 125 à 126 GeV, et il y a une possibilité d'une découverte directe en 2012. Cette découverte, confirmée l'année suivante, a assis la validité de la théorie électrofaible. Les deux des théoriciens du mécanisme de la brisure de symétrie électrofaible encore vivants (Englert et Higgs) ont réçu le prix Nobel de physique dès 2013. - La grande unification. Reste encore à unifier la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible. Une théorie répondant à cet objectif est appelée théorie de grande unification (une théorie plus ambitieuse encore rallierait à ce schéma la gravitation). L'unification de la force forte est attendue à des énergies si élevées qu'elle ne peut pas être testée directement, seules des conséquences observables à relativement basse énéergie peuvent être espérées. Les
théories supersymétriques.
Ainsi, pour chaque quark (un fermion), il y aurait un squark (un boson) ou quark «-supersymétrique ». Pour chaque lepton, il y aurait un slepton. De même, pour chaque boson de force connu (photons et gluons, par exemple), il y aurait un fermion supersymétrique (photinos et gluinos). Les particules supersymétrique sont des candidates pour la « matière sombre » de l'Univers. Mais pourquoi cette composante matérielle majoritaire de l'Univers n'a-t-elle pas été détectée? Il faut probablement admettre que les particules supersymétriques sont beaucoup plus massives que leurs homologues conventionnelles, peut-être trop massives (masses typiquement de l'ordre du Tev (1 téraélectronvolt = 1012 eV) pour être produites dans les accélérateurs actuels. La recherche de particules supersymétriques est cependant déjà au programme des travaux du LHC. • Puisque dans les théories supersymétriques les fermions peuvent se transformer en bosons, le nombre baryonique n'est pas conservé. Il s'ensuit que la survie du proton n'est plus garantie. Il pourrait se désintégrer par exemple selon le schéma : p • Les théories supersymétriques prévoient en outre toutes l'existence d'une classe de particules spéciales, appelées axions (l'axion proprement dit et d'autres particules qui lui sont apparentées), qui y jouent un rôle dans ces théories analogue d'un certain point de vue avec le rôle joué par le boson de Higgs dans la théorie électrofaible. Les axions ont ceci d'intéressant (s'ils sont présents en masse dans l'univers) de pouvoir interagir avec les photons du milieu intergalactique et donc de manifester ainsi leur existence. Des recherches actives sont menées actuellement pour détecter les indices de telles interactions.La production de particules supersymétriques en laboratoire, l'observation de la désintégration du proton ou la détection d'effets, à l'échelle des amas de galaxies, des axions sur les photons constitueraient une avancée considérable dans la validation de l'hypothèse supersymétrique. En associant la supersymétrie à la relativité générale on obtient une nouvelle théorie quantique de la gravitation (la supergravité ou supergravitation, élaborée dans les années 1970), dans laquelle le graviton, qui transmet la force de gravitation, a pour partenaire, le gravitino. La théorie de la supergravité conduit à envisager un espace à 11 dimensions. Mais cette approche semble encore plus plus productive dans le cadre d'un nouveau type de théorie, les théories des supercordes, qui change radicalement l'idée qu'on s'est faite jusqu'ici de la notion de particule. Les supercordes
Une corde ou une supercorde se présente comme un petit segment linéaire possédant deux extrémités, ou comme une boucle fermée, cela dépend des théories. Dans tous les cas, ces objets doivent avoir des longueurs de l'ordre de 10-35 m ( = longueur de Planck) et vibrer selon un modèle d'ondes stationnaires. Chaque mode de vibration quantifié d'une corde correspond à une particule élémentaire différente du modèle standard. On pourrait alors dire que chaque particule est une note différente sur une petite corde tendue - la tension de la corde étant ici le paramètre clé. Il n'y a plus de multiples espèces de particules : elles sont toutes remplacées par une seule sorte de corde. il n'y a qu'un seul type de corde. L'un
et le multiple.
La
théorie M et ses avatars.
Reste encore à ces théories, hautement mathématiques et peu contraintes par l'expérience, à prouver qu'elles disent aussi quelque chose du monde physique. Les scientifiques aimeraient notamment savoir si et combien de dimensions spatiales supplémentaires existent, et aussi comment et pourquoi elles sont cachées. Ils espèrent que indications indirectes pourront être fournies par le LHC ou ses successeurs immédiats.
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Les
nucléons,
c'est-Ã -dire les protons et les neutrons, qui sont les particules
qui constituent le 
.
Des centaines d'autres résonances du même genre (états excités de particules
de masse inférieure) ont été identifiées depuis. 
pendant un temps 
.
Au cours de cet intervalle de temps aucun processus ne peut détecter la
violation. Cela permet la création temporaire d'une particule de masse
m,
(m = 
c
, où
c
est la vitesse de la lumière). Le pion émis par un proton doit être
capturé par un autreproton avant d'atteindre cette limite. Par conséquent,
il ne peut pas être directement observé ( cela équivaudrait à une violation
permanente de la conservation de l'énergie de masse).
)
et c'est la même convention qui est utilisée pour désigner les antiquarks
(par exemple le quark d a pour antiparticule
l'antiquark 
).
Les signes + et - et la barre peuvent aussi se rencontrer ensemble (la
particule 
+
a
ainsi pour antiparticule 
-).
, ou
le 
.
°.
Une des questions actuelles de la physique est de savoir si les neutrinos
appartiennent aussi à cette catégorie (les fermions qui sont leur propre
antiparticule sont appelées particules de Majorana).
)
est convertie en énergie au repos (ER = mc²) de
l'électron et du positon (équivalence masse-énergie). Et si le photon
gamma possède un excès d'énergie en plus de l'énergie au repos de la
paire électron-positon, ce surplus s'exprimera comme l'énergie cinétique
des deux particules. 
-=
h/2
|²)
, qui décrit ce système et qui peut être mesuré est inchangé. Si ce
n'était pas le cas, nous pourrions dire si les particules avaient été
commutées ou non et la particule ne serait pas vraiment indiscernable.
Les fermions et les bosons diffèrent selon que le signe de la fonction
d'onde (
),
sigma, xi (
) et
oméga (
)
)
+ 
,
découvert en 1962, composé du quark étrange s et de l'antiquark étrange 
:
(
.
Il a été nommé J par un groupe et psi (
(la configuration était tout à fait analogue à celle du J/
-)
c+)
+)
)
)
d.
Commeleurs quarks constitutifs sont les antiparticules l'un de l'autre,
ces deux pions s'annihilent rapidement.
), antivert
ou magenta (
) et
antibleu ou jaune (
)
par analogie avec ces couleurs secondaires visibles. En électrodynamique
quantique, on dit que chaque quark porte une charge de couleur, analogue
à une charge électrique. La force forte entre les quarks est souvent
appelée force de couleur.
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