Histoire de l’univers – Partie 2 : Introduction à la physique fondamentale (pour les nuls !)

atome-ludique

La première partie de cette série d’articles [1] a introduit le concept d’histoire de l’univers qui a eu un début et qui aura probablement une fin, le début de l’histoire est décrit dans la célèbre théorie dite du Big Bang.

Pour comprendre cette histoire, il est nécessaire d’aborder le domaine de la physique fondamentale ou physique des particules qui a créé un lien entre la relativité d’Einstein et la théorie quantique.
L’état des connaissances actuelles dans ce domaine est regroupé dans un ensemble de théories constituant le « Modèle Standard ».

La lecture de cet article ne nécessite aucune connaissance particulière, il a pour but de jeter les bases nécessaires pour comprendre le modèle standard qui sera présenté plus en détail dans l’article suivant.

Cet article est divisé en 3 parties :
1. Les physiciens sont ils des menteurs ?…car ils en savent peut être moins qu’ils ne le laissent entendre !
2. Positionnement de la physique des particules et présentation du modèle atomique
3. Les particules de base qui constituent le monde qui nous entoure et leurs interactions

1. LES PHYSICIENS SONT ILS DES MENTEURS ?
Cette question à première vue assez provocatrice a été abordée par l’un des grands noms de la physique quantique, à savoir le prix Nobel Richard Feynman [2].
Ce dernier a eu l’honnêteté de déclarer que tous ceux qui prétendent comprendre quelque chose à la théorie quantique – y compris les physiciens – sont des menteurs !

Cela signifie en clair que les mécanismes internes qui régissent le comportement des particules restent parfaitement inconnus. Même si l’approche statistique de la physique quantique permet des prévisions d’une précision extrême, elle ne reste qu’une manière extérieure et astucieuse de décrire les choses.
Quelques exemples précis vont permettre d’illustrer cette problématique.

La première question concerne la dualité onde-particule.
Au niveau fondamental les physiciens parlent souvent de champs ondulatoires et de particules pour décrire la même chose.

Qu’est ce qu’une onde ?
Lorsque l’on agite un plan d’eau parfaitement immobile, il se produit un mouvement périodique concentrique autour du point de perturbation.

Pied dans l'eau

Ce mouvement est appelée une onde de propagation de l’énergie transmise au plan d’eau.

Pour les ondes sonores, le principe est le même. Une énergie transférée à l’air se traduit par l’apparition d’ondes qui mettent l’air en mouvement et qui se propagent pour transmettre le son.

Une onde est caractérisée par :
– sa longueur d’onde
– sa fréquence

Ces 2 paramètres représentent la même chose. En effet, la longueur d’onde (unité métrique) représente la longueur d’une alternance et la fréquence le nombre d’alternances par seconde.
L’unité de fréquence s’appelle le hertz, la fréquence peut être inférieure à 1 et aller jusqu’à des valeurs très élevées.

longondFig. 1 : Longueur d’onde et fréquence

Particules et ondes, comment y voir clair ?
Les plus petits constituants connus de l’univers sont des particules, cela a été démontré de manière certaine par l’expérience.
Tous les phénomènes macroscopiques de la nature (matière, lumière, électricité, etc…) sont donc discontinus et constitués de « quantas« .
Ce terme savant signifie simplement que tout est constitué d’une multitude de petits éléments unitaires qui de part leur très petite taille et leur très grand nombre donnent l’illusion d’un ensemble continu.
Par exemple, la lumière est bien constituée d’une « pluie » de particules appelés les photons.

Photons et Constante de Planck
La taille de ce « plus petit paquet possible » est donné par la célèbre constante de Planck « h » qui relie l’énergie E d’un photon à sa fréquence v.

Formule PlankCette constante h ne concerne pas que les photons et on la retrouve un peu partout dans la physique des particules.
On note que cette formule fait bien référence à la fréquence du photon (la fréquence est l’inverse de la longueur d’onde), donc à une notion d’onde…

Questions sans réponses
Première difficulté :
au niveau du concept de particules dites de base, certaines possèdent une masse et une charge électrique. Peut on imaginer que ces dernières soient ponctuelles et donc de taille nulle ?

Seconde difficulté :
l’exemple de la lumière avec l’expérience des fentes d’Young qui prouve également un comportement ondulatoire semble contradictoire avec la nature particulaire du photon (Fig. 2).

sinus-photonsFig. 2 : La lumière, onde ou particule ?

Troisième difficulté :
comme on l’a vu, on conçoit assez facilement que les ondes sonores puissent se propager dans l’air ambiant qui leur sert de support. Une énergie transmise à l’air se transforme alors en mouvements réguliers de ce dernier.
Cependant pour les ondes lumineuses ou plus généralement pour les ondes électromagnétiques qui se propagent dans le vide, il n’y a aux dernières nouvelles plus aucun support depuis qu’Einstein a montré avec la relativité restreinte l’absence d’un hypothétique éther remplissant l’espace (*).

On peut donc se demander comment les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide…

(*) Bien que la théorie des champs quantiques et en particulier celle du champs de Higgs avec son célèbre boson semble montrer quelques similitudes avec cette notion, mais c’est une autre histoire !

La parabole de l’asticot
Pour arriver à se faire une idée en attendant mieux, on peut simplement considérer que les particules sont bien des petites choses isolées les unes des autres mais qui se propagent et se comportent comme des ondes.
On a donc, des petits morceaux d’ondes qui se promènent à très grande vitesse dans l’espace un peu comme une multitude de petits asticots !

Photons AsticotsFig. 3 : les photons, des asticots de l’espace ?

On verra par la suite que les particules identifiées dans le modèle standard sont de natures très différentes, certaines n’ont pas de masse, d’autres sont antisociales car elles n’interagissent presque pas avec leurs congénères, etc…
Cependant, elles se comportent toutes à la manière d’un asticot qui se promène dans l’espace : les électrons et les protons du noyau atomique ont eux aussi un comportement ondulatoire !

Le mystère reste entier
Ces questions ne sont que la partie émergée d’une méconnaissance bien plus profonde des mécanismes internes au niveau de l’échelle subatomique. Il n’existe tout simplement aucun modèle au sens physique capable de décrire « ce » qui se passe là dessous.

Il est clair que quelque chose de fondamental nous échappe encore pour arriver à une représentation « intuitive » de ces fameuses particules du monde subatomique.

Le modèle standard se contente de décrire -certes efficacement- les choses d’un point de vue extérieur, ce qui n’est déjà pas si mal…

2. LA PHYSIQUE FONDAMENTALE ET L’ATOME
Le modèle standard appartient au domaine de la physique fondamentale, ce qui signifie qu’il traite des constituants fondamentaux de l’univers.
Cette physique permet d’expliquer au niveau le plus bas les phénomènes étudiés à une échelle plus proche de la notre par d’autres branches de la science :
– physique des solides
– physique des gaz
– chimie
– électricité
– etc…

L’atome
Le concept d’atome remonte à la Grèce antique avec Démocrite (-400), il fut définit comme le plus petit constituant indivisible de tout corps matériel solide, liquide ou gazeux qui nous entoure.
Depuis la Grèce antique, ce concept est resté valable à ceci près que sa structure exacte a été précisée. L’atome des Grecs s’est révélé être constitué de quelques composants encore plus petits.

atomeFig. 4 : représentation basique de l’atome

A ce niveau, considérons que l’atome est constitué d’un noyau formé de 1 ou plusieurs nucléons autour duquel tournent 1 ou plusieurs électrons (fig. 4).

Les nucléons : Protons et Neutrons
Les constituants du noyau atomique appelés Nucléons sont de 2 types : les Protons et les Neutrons.
Ces 2 particules sont très voisines avec des masses proches mais le Proton découvert en 1918 par Rutherford possède une charge électrique positive (+e) alors que le Neutron découvert en 1932 par Chadwick ne possède pas de charge.

L’électron
L’électron, fut découvert par Thomson en 1897. Sa masse est environ 2000 fois plus faible que celle du Proton et il possède une charge électrique négative (-e).

Electron, proton, neutronFig. 5 : les constituants de l’atome

Que recouvre le modèle standard ?
Le modèle standard concerne tous les phénomènes rencontrés dans la nature sauf la gravitation.

Les interactions entre photons et électrons expliquent 99% des phénomènes rencontrés dans la nature, les 1% restants concernent le noyau atomique [2].

Trois théories couvrent l’ensemble des interactions existantes au niveau atomique :
1] La « QED » : ElectroDynamique Quantique
2] La « QCD » : ChromoDynamique Quantique
3] la théorie de l’interaction faible

La QED qui traite des interactions électrons/photons est la plus aboutie des 3 et fut développée durant plus de 50 années au XXe siècle.
La QCD et la théorie de l’interaction faible traitent des propriétés du noyau atomique, elles furent largement inspirées des travaux issus de la QED.

La théorie de l’interaction faible se distingue par le fait qu’elle ne décrit pas de forces de liaisons entre les particules mais qu’elle permet à certaines d’entre elles de changer de nature par désintégration.
Ex : un proton peut se changer en neutron sous l’effet de l’interaction faible. C’est l’une des causes de la radioactivité.

Il est intéressant de noter que le niveau de complexité requis pour expliquer le 1% des phénomènes non traités par la QED est supérieur à celui des autres 99% !

Le modèle atomique
Rappelons brièvement qu’il existe seulement 118 matériaux de base différents rencontrés dans la nature.
Ces derniers sont classifiés dans la table périodique des éléments appelé table de Mendeleïev qui comporte par exemple :
– l’hydrogène
– l’hélium
– le carbone
– le fer
– l’uranium 235
etc…

Chaque matériau est constitué d’une multitude d’atomes construits à partir des mêmes éléments : un noyau constitué de nucléons (protons et neutrons) avec des électrons en orbite autour du noyau.

Les éléments se distinguent les uns des autres par le nombre de nucléons du noyau et par le nombre d’électrons qui gravitent autour.

Les exemples ci-dessus deviennent :
– hydrogène : 1 proton + 0 neutron + 1 électron (Fig. 6)
– hélium : 2 protons + 2 neutrons + 2 électrons (Fig. 6)
– carbone : 6 protons + 6 neutrons + 6 électrons
– fer : 26 protons + 30 neutrons + 26 électrons
– uranium 235 : 92 protons + 143 neutrons + 92 électrons

Et ainsi de suite, 118 fois !

Une règle simple est que dans un atome neutre, le nombre de protons est identique au nombre d’électrons.

Atomes hydrogene et HeliumFig. 6 : Atomes d’hydrogène et d’hélium

Point de situation
Arrivé à ce niveau, voici une première synthèse des particules citées et dont l’existence est prouvée par l’expérience :
– photons
– électrons
– protons
– neutrons
Les protons et neutrons appelés Nucléons constituant le noyau de l’atome.

La physique des particules est largement basée sur l’expérience pour aider à faire évoluer et à vérifier les théories qui la constituent.

3. L’EXPÉRIENCE, A LA BASE DE L’ÉLABORATION DU MODÈLE STANDARD
L’expérience est un des aspects fondamentaux de la physique des particules, de nombreux aller-retour entre l’expérience et la théorie ont été effectués pour arriver au formalisme actuel. Cette approche est totalement conforme à l’esprit de la méthode scientifique.

Les expériences correspondantes sont réalisées dans les grands collisionneurs de particules comme le LHC au CERN évoqués dans la première partie [1].
En envoyant des protons à très hautes vitesses percuter des noyaux atomiques, les physiciens ont eu la surprise de détecter un foisonnement de plus de 200 particules lourdes distinctes appelées « Hadrons » (Hadron = Hard !). La plupart de ces dernières ont d’ailleurs une durée de vie très brève (inférieure à 10E-6 s).
A noter que les protons et neutrons constituant les noyaux atomiques sont des particules stables qui font partie de cette famille des Hadrons.

C’est à cette complexité que le modèle standard tente de répondre.
Ce dernier imagine un modèle de type « jeu de Lego » avec un ensemble minimal de particules de bases qui permettent par différents assemblages de construire toutes les particules détectées.

Les grands noms de la physique qui ont contribué à l’élaboration du modèle standard avaient le souci primordial de la simplicité, ce dernier devait réduire au maximum l’apparente complexité des observations.

Cependant, comme on va le voir il reste tout de même un « bestiaire » de particules relativement conséquent même s’il semble que certaines familles ne semblent concerner qu’une seule et même particule qui se présente sous plusieurs variantes.

Le début de l’histoire
Le début de l’histoire est assez simple, en effet toutes les particules fondamentales observées ou subodorées appartiennent à seulement 2 familles distinctes :
– Les Fermions
– Les Bosons

Fermions et Bosons
Les particules constituant la matière « ordinaire » font partie de la famille des Fermions.
Pour que les constituants des noyaux atomiques restent « collés » entre eux, il est nécessaire que des forces s’exercent sur ces derniers, idem pour les électrons en orbite autour des noyaux.
Au niveau fondamental, le modèle standard nous dit que les fermions interagissent entre eux à l’aide des Bosons qui provoquent des effets attractifs ou répulsifs sur les fermions [4].

Echange de bosons 2Fig. 7 : Illustration du principe d’interaction des bosons et diagramme de Feynman

Le schéma de la fig. 7 illustre le principe d’une interaction entre 2 particules par échange de boson. Le dessin supérieur montre la métaphore des 2 barques (fermions) avec échanges successifs d’un ballon (boson).
Le dessin du bas représente un des célèbres diagramme de Feynman, 2 particules (bleue et rouge) échangent un boson (ondulé).
L’axe horizontal (x) représente une dimension d’espace et l’axe vertical (T) le temps, les particules rouges et bleues se rapprochent, échangent un boson puis s’éloignent l’une de l’autre.
Dans cet exemple, le boson représenté par une ligne ondulée est un photon.

Distances d’échange
Les distances d’échange de bosons effectués entre fermions peuvent être très variables.
Dans certains cas ces échanges ont lieu sur des distances si courtes que le boson est indétectable, il est alors considéré comme virtuel.
Dans d’autres cas le boson peut voyager sur des milliards d’années lumière avant d’être « avalé » par un autre fermion. L’exemple typique est celui des photons qui se déplacent dans notre univers sur de très longues distances pour nous apporter la lumière des galaxies lointaines.

Quarks et gluons
Les Nucléons du noyau atomique sont constitués de particules plus petites appelées « Quarks » pouvant être de 2 « saveurs » différentes :
– Quark « Up »
– Quark « Down »

Les quarks sont « collés » entre eux à l’aide de particules appelées « Gluons ». Le plus drôle est que les gluons peuvent également se coller entre eux !

Les quarks appartiennent à la famille des fermions et les gluons à celle des bosons.

Quarks et hadrons
Ce modèle des quarks permet de retrouver tous les hadrons détectés dans les collisionneurs. Ces hadrons sont constitués par assemblages de quarks (par 2 ou par 3) suivant une rêgle qui sera décrite dans l’article suivant.

Les hadrons les plus connus sont les nucléons du noyau atomique dont la constitution est la suivante :
– Proton = 2 quarks up + 1 quark down [+ gluons] (Fig. 8)
– Neutron = 1 quark up + 2 quarks down [+ gluons]

Proton et QuarksFig. 8 : Le proton constitué de 3 quarks

Pour terminer ce premier bestiaire des particules élémentaires, citons une particule assez étrange mais très importante : le Neutrino.

Le Neutrino
L’existence du neutrino a été postulée pour la première fois en 1930 par Wolfgang Pauli. Ce dernier a effectué l’hypothèse d’une particule nouvelle pour expliquer des bilans énergétiques non équilibrés lors de réactions nucléaires de type désintégration radioactive (beta).
La première confirmation expérimentale du neutrino remonte à 1956.

C’est une particule sans masse, sans charge qui n’est sensible qu’à l’interaction faible.
Elle est donc très difficile à détecter car elle passe à travers les détecteurs !

A noter que chaque jour, nous sommes transpercés par des milliards de neutrinos qui sont émis pas le soleil…

4. CONCLUSION
Le modèle standard décrit au niveau subatomique les particules de base qui constituent la matière. Ce dernier modélise également les mécanismes d’interaction entre les particules.

Dans l’approche préliminaire proposée ici, 2 familles de particules ayant chacune un comportement spécifique ont été introduites :
. Famille 1 : les Fermions qui constituent la matière
. Famille 2 : les Bosons qui constituent les vecteurs d’interactions entre les Fermions

Certains Bosons comme les Gluons ont une portée d’échange entre Fermions très courte, d’autres ont une portée infinie (Photons).

En synthèse, les particules décrites ou seulement citées jusqu’ici sont classées de la manière suivante :
. Fermions : électrons, neutrinos, quarks (constituant les nucléons)
. Bosons : photons, gluons, Higgs

Comme on le verra dans l’article suivant, il existe d’autres fermions et d’autres bosons qui complètent le modèle standard tel qu’il est admis aujourd’hui par la communauté des physiciens.
Les règles qui régissent les interactions entre ces particules seront également expliquées.

Liens
[1] Histoire de l’univers – Partie 1 : Naissance et Topologie (Sur ce blog)
[2] « Lumière et matière » – Richard Feynman
[3] Le mur de la quantique (Sur ce blog)
[4] Voyage au coeur de la matière – David Calvet (futura-sciences.com)

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