En savoir plus – Les particules mystérieuses – Fondamentaux
Rayons ou particules ?
Le terme « Rayons cosmiques », hérité de leur découverte historique, est trompeur puisqu’il s’agit d’un flux de noyaux atomiques et de particules circulant dans le milieu interstellaire. Ce rayonnement est principalement composé de protons, de noyaux d’hélium, d’électrons et autres nucléons… Ces différents composants ont des provenances très variées : Soleil, galaxie, univers lointain …
Voyage au centre de la matière
Si on divise un morceau de fer en morceaux de plus en plus petits, on obtient le plus petit morceau de fer possible qui est l’atome de fer. Un atome de fer peut être divisé mais les morceaux qui restent après la division ne sont plus du fer. Les atomes sont donc les plus petites particules d’un élément chimique.
Les atomes peuvent s’associer pour former toute la matière de notre univers. Par exemple la molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et deux d’hydrogène (H2O). Atome vient du grec atomos qui signifie insécable, indivisible. Un atome peut pourtant être scindé en un noyau situé en son centre et des électrons qui « tournent autour » du noyau qui contient des nucléons, c’est à dire des protons et des neutrons (Figure 1).
Figure 1 – Les différentes échelles de la matière
Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons ont une charge électrique positive, de même valeur que celle de l’électron ; les neutrons n’ont pas de charge électrique. Le nombre de protons dans un atome détermine ses propriétés physiques et chimiques, c’est le numéro atomique (Figure 2).
Figure 2 – Atomes classés par numéro atomique dans le tableau périodique des éléments chimiques. Chaque case correspond à un atome différent avec son symbole (par exemple H pour hydrogène et O pour oxygène).
Figure 3 – Si on grossissait mille milliards de fois un atome d’hydrogène, le noyau (constitué d’un seul proton) aurait une taille d’un millimètre, une masse de près de 2 millions de tonnes et l’unique électron aurait une taille inférieure à un micron (un millième de millimètre) et une masse d’un peu moins de 1 000 tonnes. Cet électron « tournerait autour » du noyau dans un volume d’environ 100 m de diamètre, soit environ la hauteur de l’émetteur de TDF au sommet du Pic du Midi !
L’électron ne peut pas être divisé, c’est une particule élémentaire de la matière. Le Modèle Standard de la physique des particules, élaboré à partir des années 1960, montre que les particules élémentaires de la matière sont au nombre de 12 :
- six leptons
- six quarks.
Elles sont classées en trois familles bâties sur le même modèle à quatre particules : un neutrino, puis un lepton électriquement chargé et enfin deux quarks, également électriquement chargés. Ces particules ont des caractéristiques différentes (durée de vie, charge électrique, masse, etc.) et sont sensibles à certaines interactions fondamentales (Figure 4).
Figure 4 – Particules élémentaires et interactions fondamentales associées – IN2P3
La matière « ordinaire », celle dont nous sommes faits, contient uniquement des particules de la première famille. En effet, les protons et les neutrons sont caractérisés par les trois quarks de type « u » et « d » qu’ils contentent (proton : uud ; neutron : udd). Ce sont les constituants des noyaux atomiques ; si on leur ajoute les électrons, on obtient les atomes puis les molécules. Les deux autres familles sont composées pour l’essentiel de particules plus lourdes, instables et donc qui n’existent pas à l’état naturel. Néanmoins, elles peuvent être produites par des rayons cosmiques lorsqu’ils interagissent avec l’atmosphère ou dans des accélérateurs (par exemple au CERN).
En physique des particules, les interactions (ou forces) fondamentales sont transmises par l’intermédiaire de particules médiatrices appelées bosons (de Satyendranath Bose, 1894-1974). Les bosons médiateurs connus correspondent aux interactions faible (les bosons W et Z), électromagnétique (le photon) et forte (les gluons). L’hypothétique graviton, la particule médiatrice de la gravitation, est impossible à détecter pour le moment car sa signature expérimentale est bien trop ténue pour les technologies actuelles.
Enfin, les particules élémentaires acquièrent leur masse via le champ de Higgs dont le boson de Higgs, qui en est une manifestation, a été découvert en 2012.
Source textes et illustrations : IN2P3
