Particula elementària

En fisica de las particulas, una particula elementària, o particula fondamentala, es una particula que se coneis pas la composicion: Se sap pas s’es constituida d'autras particulas mai pichonas. Las particulas elementàrias inclusisson los fermions fondamentals (quarks, leptons, e las antiparticulas, los antiquarks e los antileptons) que compausan la matèria e l'antimatièria, E tanben de bosons (bosons de jauge e boson de Higgs) que son de vectors de fòrças e jògan un ròtle  de mediator dins las interaccions elementàrias entre los fermions. Una particula que conten mai d’unas particulas elementàrias es una plusieurs particules élémentaires es una particula composita.

Fermions (Estatistica de Fermi-Dirac) LeptonsQuarksCarga electrica0–1 e+2/3 e–1/3 eFermions de1re générationνeNeutrino electroniceElectronuQuark updQuark downFermions de2a generacionνµNeutrino muonicµMuoncQuark charmsQuark strangeFermions de3a generacionντNeutrino tauicτTautQuark topbQuark bottom Bosons (Estatistica de Bose-Einstein)InteractionsFèblaElectro-magneticaFòrtaBosons de gaujaZ0Boson ZW±Boson WγFotongGluonCamp de HiggselectrofèbleH0Boson de HiggsParticulas elementàrias del modèl estandard

La matèria tala que se la conéis es compausada d'atóms, que se cresiá èsser de particulas elementàrias (lo mot « atóm » significa insecable en grèc). La quita existéncia de l'atòm foguèt controversiada fins a 1910: los fisicians de l'epòca vesián las moleculas coma d’illusions matematicas e la matèria sonque compausada d’energia. Enseguida, los constituents subatomicas foguèron identificats. Al començament de las annadas 1930, l'electron e lo proton foguèron observadas, e tanben lo foton, la particula de la radiacion electromagnetica. Mentretant, las avançadas recentas de la mecanica quantica cambièron radicalament la quita concepcion de la particula, qu'una particula sola podava ocupar una partida de l’espaci coma lo fariá una onda , un fenomèn qu’es pas sempre explicable a nòstra escala compausadas d’objècte (coma atòms e moleculas) qu’an una localitat precisa.

Amb la teoria quantica, se descobriguèt que los protons e los neutrons contenián de quarks (nomenats up e down), ara considerarts coma de particulas elementàrias. E a l'interior d'una molecula, los tres gras de libertat de l'electron (carga , espin e orbitala) pòdon èsser destriats per la foncion d’onda en tres quasi-particulas (olon, espinon et orbiton). Pasmens, un electron liure (qu’es atomic pas en orbita a l’entorn d'un nuclèu atomic e donc sens movement orbital) sembla insecable e demora classificat coma particula elementària.

Los fermions elementaris an un espin semientièr e obesisson a l’estatistica de Fermi-Dirac e al principi d'exclusion de Pauli: constituisson la matèria barionica. Los bosons an un espin entièr e obesisson a l’estatistica de Bose-Einstein : constituisson las interaccions elementàrias, levat la gravitacion qu’avèm pas encora capitat a integrar al modèl estandard.

Los dotze fermions descrich pel modèl estandard son classificats en tres generacions, es a dire en tres quadruplets de particulas que los tèrmes correspondents son de massa creissanta d'una generacion a la seguenta. Sols los fermions de la primièra generacion (que la massa es mai fèbla) de biais corrent son observats e constituisson la matèria que coneissem ; los uèit autres fermions s'obsèrvon pas que dins de condicions particuliarament energeticas (coma dins un accelerator de particulas).

 Istòria 
+Proprietats principalas des las primièras particulas identificadasLas valors son donadas amb una precision de 1 % per las massas.ParticulaMassaCarga electricaNeutron1 u.m.aneutraProton1 u.m.aeElectron1/2000 u.m.a. -e
Los Grècs de l'Antiquitat, coma Democrit, introduguèron lo mot « atòm », que significa « indivisible », per nomenar los constituents fondamentals de la matèria. Se descobriguèt al sègle XX que los quites atòms èran compausat de pichonas particulas : electrons, protons e neutrons (veniá don possible de « trencar un atòm »).

Dins la annadas 1930, los scientifics pensavan que los electrons, los protons efoguèron alara designats coma « particulas elementàrias ».

Per estudiar l'interaccion dels neutrons e dels protons dins l nuclèu atomic, se los fa far de tust dins un accelerator de particulas. Se decobriguèt alara qu’aquestas particulas subatomicas son d’esperelas compausadas d’objèctes mai pichons, los quarks. Los protons e los neutrons son compausats cadun de quarks. Aquestas particulas compositas son gaireben sempre representadas jos forma perfièchament esferica mas aquesta darrièra representa solament la region de l’espaci al delà de que la natura composita d’aquestas particulas ven visibla. Dins lo modèl estandard, proton e neutron an veraiament pas de forma.

Fins ara, pas cap de sosestructura foguèt descobèrta als quarks ni als eleectrons. Son donc las novèlas particulas elementàrias.

L'observacion des tusts de particulas, compositas esovent instablas, permetèt als fisicians de deduire l’existéncia de novèlas particulas elementàrias. La descripcion dels compausants de basa de la natura e de lors interaccions es descricha dins la teoria fisica nomenada lo « modèl estandard » de las particulas.

 Particulas elementàrias del modèl estandard 
Los primièrs passes dins l'elaboracion del modèl estadard de las particulas elementàrias los faguèron en 1960 lo fisician american Sheldon Glashow, prèmi Nobel de fisica 1979, amb l'unificacion de l'interaccion electromagnetica e de l'interaccion fèbla en une interaccion electrofèbla al dessús d'una energia d'unificacion de l'òrdre de . Puèi, en 1967, l'American Steven Weinberg e lo Paquistanés Abdus Salam integrèron lo mecanisme de Higgs (teorizat en 1964 per Peter Higgs) al model realizat per Glashow per li donar sa forma actuala, que pren en compte de la massa de las particulas; recebèron atal mo prèmi Nobel de fisica 1979, mentrtant que Glashow. Fin finla, lo modèl estandard foguèt finalizat par l'unificaion de la cromodinamica quantica amb l’interaccion electrofèbla, per i integrar l'interaccion fòrta prenent en compte entre autres la libertat asimptotica lo confinhament de color dels quarks en hadrons que la carga de color resultanta es sempre « blanca » (que le qualificatiu cromodinamic aplicat a aquesta teoria quantica dels camps).

 Fermions 
Los fermions son descrichs pel modèl estandard coma avent un espin semientièr e respectant lo principi d'exclusion de Pauli en acòrdi amb lo teorèma espin-estatistica. Existís dotze fermions descrich pel modèl estandard.

Los fermions elementaris podavan èsser classificada en tres familhas. Cada familha conten dos quarks, un lepton cargat e son neutrino. D'una familha a l'autra, las proprietats de las particulas sont semblablas, levat lor massa. Aquestas massas son sempre mai elevadas de la primièra a la tresena familha.

La primièra familha conten las particulas mai establas e correntas: los quarks up e down, l'electron e lo neutrino electronic (νe). Dins la segonda familha, i a los quarks charm e strange E tanben lo muon e lo neutrino muonic (νμ). Los quarks top et bottom, lo tauon e le neutrino tauic (ντ) forman la tresena familha.

Absoludament tot çò qu’existís resulta de l'agençament d’aquestas 12 particulas o de lors antiparticulas: los fermions forman la matèria.

 Leptons 
Dentre los dotze fermions del modèl estandard, sièis seràn pas somés a l'interaccion fòrta e coneisson pas que l'interaccion fèbla e l'interaccion electromagnetica: son los leptons. L'interaccion electromagnetica concernís pas las particulas portant una carga electrica, alara que l'interaccion fèbla agís sus totes los leptons, e tanben aquestes electricament neutres.

I a sièis menas, o sabors de leptons, que tres an una carga electrica negativa e tres son neutres. Mas, a la diferéncia dels quarks, un lepton pòt s’encontrar sol.

Lo lepton mai conegut es l'electron (e). Los dos autres leptons encargats son lo muon (μ) e lo tau (τ). Son plan mai massisses que l'electron. Los tres leptons sens carge electrica son los neutrinos (ν, de la letra grèga "nu"). I a una sabor de neutrino associada a cadun dels leptons cargats: un neutrino electronic (νe), un neutrino muoni  (νμ) e un neutrino tauonic (ντ).

L'existéncia du neutrino electronic foguèt predicha per Wolfgang Pauli en 1932, mas es pas qu'en 1956 que foguèt descobèrt. Mentretant, lo muon foguèt observat (en 1936) dins las reaccions entre l'atmosfèra e los rais cosmics. Pas res fasiá pensar a son existéncia, fins a qu'Isidor Isaac Rabi, un fisician de las particulas, aculhiguèt la novèla demandant: « Mas qui comendèt aqueste daquòs? ». La suspresa venguèt una cerca mai prigonda e menèt a la descobèrta dels autres leptons.

Los neutrinos foguèron plan malaisits a veire que fan gaireben pas d’interaccion amb la matèria. Cal bastir d’observatòris sosterranhs, alunhats de tota perturbacion, per poder detactar unes neutrinos per jorn. Pasmens, lo Solelh larga una enòrma quantitat de neutrinos. Atal, de milliards de neutrinos solars passan pel nòstres còrs a cada segonda, mas fan pas d’interaccion sonque amb el.
Cargaelectrica0–1 e   ( e = 1,602176487×10-19 C )GeneracionParticulaSimbòl /antiparticulaMassa(keV/c2)ParticulaSimbòl /antiparticuleMassa(keV/c2)1reNeutrino electronicνe   /   νe< Electrone –   /   e +2eNeutrino muonicνµ   /   νµ< Muonµ –   /   µ +3eNeutrino tauicντ   /   ντ< Tauτ –   /   τ +
Cada lepton a son antilepton, de mèsma massa, mèsme espin, mas de carga electrica opausada, d'isoespin fèble opausat o encora d'elicitat invèrs (esquèrra pels neutrinos, drecha pel antineutrinos):

 un antineutrino per cada sabor de neutrino
 lo positron per l'electron
 l'antimuon pel muon
 l'antitau pel tau

 Quarks 
D’entre los dotze fermions del modèl estandard, sonque sièis coneisson l'interaccion fòrta al mèsme títol que l'interaccion fèbla e l'interaccion electromagnetica: so los quarks.

En 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig descobriguèron de biais independent que de centenats de particulas podavan s’explicar per de combinasons de sonque tres elements. Gell-Mann causiguèt lo nom « quarks » per designar aquestes elements. Aqueste mot foguèt inventat per James Joyce dins son roman Finnegans Wake. Es pas qu’al començament de las annadas 1970 que la realitat fisica d’aquestes quarks foguèt provada, e que s’aucèron al reng de particulas.

Savèm ara qu’i a sièis menas o sabors de quarks. Foguèron nomenats, per òrdre de massas creissenta: up, down, strange, charm, bottom e top. Mai, per cadun d’aqueste quarks, i a un antiquark correspondent.

Los quarks an la proprietat d'aver una carga electrica fraccionària. Aquesta carga es de 2/3 pels quarks up, charm e top e de –1/3 pels quarks down, strange e bottom.

Los quarks son de particulas sociablas: se’n trapa pas jamai un que siá sol. Se tenon en paquets de dos o tres per formar de particulas nomenadas hadrons. Per exemple, lo proton es un hadron compausat de dos quarks up e d'un quark down. Quant al neutron, es format de dos quarks down e d'un quark up. Aquesta proprietat fa que las particulas observadas a l'estat liure an totas una carga electrica entièra o nula. 

Las particulas formadas de quarks e d'antiquarks son nomenadas hadrons. Se destrian en doas classas: 

 los baryons, formats de tres quarks, coma los neutrons (n) o los protons (p) o de tres antiquarks: l'antiproton e l'antineutron,
 los mesons, formats d'un quark e d'un antiquark.

drecha|vinheta|200x200px|Sintèsi additiva de las colors primàrias.
L'interaccion fòrta es responsabla del confinhament dels quarks, a causa de que es impossible d'observar una particula elementària o compausada que la carga de color resultanta es pas « blanca ». Existís en efièch tres « colors » (nomenadas convencionalament roge, verd, bleu en referéncia a la colors primàrias) e tres « anticolors » (nomenadas convencionalament antiroge, antiverd e antiblau), qu’obesisson a las règles seguentas, remembrant la sintèsi additiva de colors primàrias:

 roge + verd + blau = blanc
 roge + antiroge = blanc
 verd + antiverd = blanc
 blau + antiblau = blanc
 antiroge + antiverd + antiblau = blanc

Las « anticolors » antiroge, antiverd; antiblau son mai sovent representadas respectivament en cian, magenta e jaune.

Tot quark essent portaire d'una d’aquestas tres cargas de color (existís pas de quark « blanc »), deu necessàriament dintrar en interaccion amb o alara un antiquark portaire de son anticolor (çò que dona un meson, qu’es donc un boson composit), o alara dos autres quarks, portant dos cargas de color, amb una resultanta « blanca » (çò que fa un baryon, qu’es un fermion composit).
Cargaelectrica+2/3 e–1/3 eGeneracionParticulaSimbòl /antiparticuleMassa(keV/c2)ParticulaSimbòls /antiparticuleMassa(keV/c2)1reQuark upu   /   u – Quark downd   /   d – 2eQuark charmc   /   c – Quark stranges   /   s – 3eQuark topt   /   t ± Quark bottomb   /   b+170000

−70000

 Bosons 
Los bosons sont descrichs pel modèl estandard coma avent un espin entièr e essent regits per l’estatistica de Bose-Einstein: diferents bosons pròches pòdon ocupar lo mèsme estat quantic, al contrari dels fermions.

 Bosons de gauja 
« Cossí aquestas particula tenon ensems? » La reponsa resulta dins l'interaccion de las quatre fòrças fiscas: la gravitacion, la fòrça nucleària fòrta, la fòrça nucleària fèbla e la fòrça electromagnetica. Las fòrça agisson suls fermions elementaris per l'escambi de bosons de gauja, l'autra classa de particulas elementàrias. Se nomena tanben los bosons de gauja de « particula de radiacion ».

I a 12 bosons de gauja dins lo modèl estandard: lo foton, 8 gluons e 3 bosons fèbles. Mai, se predich l'existéncia del graviton qu’a pas encore estat observat. Cada boson de gauja es associat a una fòrça:

 lo foton transmet la fòrça electromagnetica,
 los gluons, que transmeton la fòrça nucleara fòrta,
 los bosons fèbles, que transmeton la fòrça nucleara fèbla,

Lo ròtle del graviton (non detectat) seriá de transmetre la fòrça gravitacionala. Mas lo graviton fa pas partit del modèl estandard. Son existéncia es simplament sooçonada, pas cap d’experiéncia mostrèt encora sa preséncia.

Los dotze bosons de gauja son de vectors de las tres interaccions del modèl estandard:

 lo foton es vector de l'interaccion electromagnetic,
 lo boson Z e los dos bosons W son vectors de l'interaccion fèbla,
 los uèit gluons son vector de l'interaccion fòrta.

Lo quadre çai dejós resuma lors proprietats:
BosonSimbòlSpinCarga<br id="mwAlM"><br>baryonic (e)Carga de colorCada gluon es per natura portaire d'una de las tres colors e d’una de las tres anticolors, çò que fa 32 = 9 combinasons possiblas, mas, en vertut del principi de superposicion quantica, totes aquestes estats son confonduts sus cada gluon de tal biais qu'en realitat una infinitat de combinasons es possibla, reduchible a uèit tipes de gluons independent que la « color » resultanta es una combinason complèxa de colors e anticolors.Massa (keV/c2)InteraccionSimetria<br id="mwAmA"><br>de gaujaFotonγ10« 0 »La carga de color es pas una valor numerica, e la color « blanca » deuriá, en tota rigor, èsser presentada pels simbòl « 1 » significant l'invariança dins lo grop de simetria considerat.0ElectromagneticaU(1)Boson ZZ10« 0 » ± FeblaSU(2)Boson WW –1–1« 0 » ± W +1Gluong10( rg + gr ) / √20ForteSU(3)( rb + br ) / √2( gb + bg ) / √2i ( gr – rg ) / √2i ( br – rb ) / √2i ( gb – bg ) / √2( rr – bb ) / √2( rr + bb – 2gg ) / √6
Cada d’aquestes bosons es son antiparticula, levat los bosons W – e W + que son antiparticulas l'una de l'autra.

 Boson de Higgs 
Lo modèl estandard implica l'existéncia del boson de Higgs, permetent a las autras particulas de prene lor massa. 

A l'origina, dins lo modèl estandard de la fisica de las particulas, totas las particulas elementàrias aurián degut aver una massa nulla, çò qu’s pas confòrme a l'observacion: los scientifica Podèron establir experimentalament las massas de difeerentas particulas amb de bonas precisions. Sols lo foton e los gluons serián de massa nulla.

Per corrigir lo modèl, Peter Higgs prepausèt, cap a la fin de las annadas 1960, d’i apondre una autra particula: un boson balhant las massas a totas las autras particulas. L'idèa de basa èra que las particulas èran que las particulas prenon una massa fasent interaccion amb lo camp de Higgs portat per aqueste boson de Higgs. Aqueste mecanisme es ara considerat coma una partida essenciala del modèl estandard.

Lo boson de Higgs aviá pas encara jamai detectat. Sa traca dempuèi lo començament del sègle XXI èra l’escomesa màger de la fisica de las particulas. Lo Large Hadron Collider (LHC) europèu, en foncion dempuèi lo 10 de setembre de 2008, foguèt concebut largament per poder balhar una responsa sus l'existéncia del boson de Higgs.

Lo 4 de julhet de 2012, lo CERN mostrèt al LHC un boson presentant pel primièr còp las caracteristicas esperadas del Higgs dins un domèni de l'òrdre de 125 GeV (correspondent gaireben a 133 còps la massa del proton) amb 99,9999 % de certitud. La confirmacion definitiva d’aquesta descobèrta dins unas annadas per respectar totes los critèris mai sovent admeses en fisica de las particulashttps://www.lemonde.fr/sciences/article/2012/07/04/le-boson-de-higgs-decouvert-avec-99-9999-de-certitude_1728737_1650684.html. Lo boson de Higgs es responsable de la massa de las particulas dins aqueste modèl, mas es vector d'aucuna interaccion: es donc pas un boson de gauja.

 Graviton 
Lo graviton foguèt introduch per las teorias de la gravitacion quantica per assajar d’integrar la gravitacion al modèl estandard, e foguèt pas jamai observat; lo graviton fa donc pas partit del modèl estandard, mas seriá un boson de gauja, vector de la gravitacion.

 Antimatèria 
A cada particula correspond una antiparticula — es la simetria C. Una particula es semblabla a son antiparticula, amb de cambiaments de signe. La carga electrica es opausada, A çò que definís l'antiparticula. La massa es pasmens identica.

Mai, una particula de carga nulla pòt èsser sa sieuna antiparticula; es lo cas dem foton.

En combinant d’antiprotons, d’antineutrons e d’antielectrons, es possible de crear des antiatòms. Mai, los fisicians se son ja aplicats a bastir d’atòms d'antiidrogèn, en quantitats importantas (50 000 atòms) dins los laboratòris del CERN.

Qunad una particula de matèria e son antiparticula s’encontran, elles s'anientisson de complet e venon energia. Los tusts entre particulas e antiparticulas produson donc fòrça d’energia e son mai sovent utilizats dins las experiéncias al sen dels accelerators.

Se nomena antimatèria l'ensemble de las antiparticulas de las particulas compausan la matèria ordinària.

L'antimatèria a una durada de vida fòrça corta dins nòstre mitan: Levat que siá isolada per de camps magnetics, encontra aviadament la matèria ordinària e s’anientat alara.

La primièra particula d'antimatèria foguèt descobèrta en 1933. S’agiriá d'un positron (antielectron) produch per l’encontra entre un rai cosmic e un nuclèu atomic de l'atmosfèra.

 Al delà del modèl estandard 
Lo modèl estandard es una teoria validada per fòrça experiéncias, totas las particulas postuladas foguèron trobadas.

Pasmens, aquesta teoria explica pas tot e diferentas questions demoran sens responsas. Per exemple: Perqué i auriá exactament 12 fermions e 4 fòrças? Cossí la gravitacion Se pòt inclure dins lo modèl? Los quarks e los leptons son veraiament fondamentals an una sosestructura (al delà dels 10-18 mètres)? Quinas son las particulas que forman la matèria escura dins l'Univèrs? 

Per respondre a aquestas questions, los fisicians comptan sus la construccion d’accelerators novèls de particulas podent sondar d’energias mai o mens grandas (fisica dicha Terascale). Atal, de teoricians sonhan d'una novèla e ultima teoria podent unificar totes los fenomèns fisics. Mai d’unes veson Dins la teoria de las còrdas qu’indica que totas las particulas elementàrias son de mòdes de vibracion d'una còrda fondamentala. Aquesta còrda existiriá en 10 (1a teoria) , 11 (la teoria M), fins a 26 dimensions (dins 2 de las 5 teoroas preteoria M).

 Nòtas e referéncias 

 Vejatz tanben 

 Articles connèxes 

 Lista de las particulas
 Taula periodica dels elements

 Ligams extèrnes 

 Bibliografia 

 Le charme de la physique, recueil de textes de Sheldon Glashow
 M. Crozon, F. Vannucci, les particules élémentaires, 1993, PUF, coll.«Que sais-je ?»
 Michel Crozon, L'univers des particules,1999, Seuil, Points, Science, n° S134
 M. Jacob, Le modèle standard en physique des particules, in pour La Science n° 300, octobre 2002
 F. Vanucci, Combien de particules dans un petit pois?, 2003, Éditions du Pommier
 F. Vanucci, Le miroir aux neutrinos, 2003, Odile Jacob, coll «Sciences», 256 p.
 Pierre Fayet, Les «sparticules» existent-elles ?, Les dossiers de La Recherche, n° 23, mai 2006, pp 72-74
 Jean Iliopoulos, Dépasser le modèle standard, in Pour La Science n° 361 de novembre 2007, pp 90-96
Categoria:Fisica de las particulas
Categoria:Pàgines amb traduccions sense revisar