Principes fondamentaux de la physique des particules

Le concept de particules fondamentales et indivisibles remonte aux anciens Grecs (un concept appelé "atomisme"). Au 20e siècle, les physiciens ont commencé à explorer les événements aux plus petits niveaux de matière, et parmi leurs découvertes modernes les plus surprenantes, il y avait la quantité de particules différentes dans l'univers. La physique quantique prédit 18 types de particules élémentaires, et 16 ont déjà été détectés expérimentalement. La physique des particules élémentaires vise à trouver les particules restantes.

Le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules, qui classe les particules élémentaires en plusieurs groupes, est au cœur de la physique moderne. Dans ce modèle, trois des quatre forces fondamentales de la physique sont décrites, ainsi que les bosons de jauge, les particules qui assurent la médiation de ces forces. Bien que la gravité ne soit pas techniquement incluse dans le modèle standard, les physiciens théoriciens travaillent à étendre le modèle pour inclure et prédire une théorie quantique de la gravité.

S'il y a une chose que les physiciens des particules semblent apprécier, c'est de diviser les particules en groupes. Les particules élémentaires sont les plus petits constituants de la matière et de l'énergie. Pour autant que les scientifiques puissent le dire, ils ne semblent pas être faits de combinaisons de particules plus petites.

Briser la matière et les forces

Toutes les particules élémentaires en physique sont classées comme fermions ou bosons. La physique quantique démontre que les particules peuvent avoir un "spin" intrinsèque non nul ou un moment angulaire, qui leur est associé.

Un fermion (nommé d'après Enrico Fermi) est une particule avec un spin demi-entier, tandis qu'un boson (nommé d'après Satyendra Nath Bose) est une particule avec un nombre entier ou un spin entier. Ces spins entraînent différentes applications mathématiques dans des situations particulières. Des mathématiques simples d'ajout d'entiers et de demi-entiers montrent ce qui suit:

• La combinaison d'un nombre impair de fermions donne un fermion car le spin total sera toujours une valeur demi-entière.
• La combinaison d'un nombre pair de fermions donne un boson car le spin total donne une valeur entière.

Fermions

Les fermions ont un spin de particules égal à une valeur demi-entière (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Ces particules constituent la matière que nous observons dans notre univers. Les deux constituants de base de la matière sont les quarks et les leptons. Ces deux particules subatomiques sont des fermions, donc tous les bosons sont créés à partir d'une combinaison uniforme de ces particules.

Les quarks sont la classe des fermions qui composent les hadrons, tels que les protons et les neutrons. Les quarks sont des particules fondamentales qui interagissent à travers les quatre forces fondamentales de la physique: la gravité, l'électromagnétisme, l'interaction faible et l'interaction forte. Les quarks existent toujours en combinaison pour former des particules subatomiques appelées hadrons. Il existe six types distincts de quark:

• Quark inférieur
• Strange Quark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Up Quark

Les leptons sont un type de particule fondamentale qui ne subit pas d'interaction forte. Il existe six variétés de leptons:

• Électron
• Electron Neutrino
• Muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Chacune des trois «saveurs» du lepton (électron, muon et tau) est composée d'un «doublet faible», la particule susmentionnée ainsi que d'une particule neutre pratiquement sans masse appelée neutrino. Ainsi, le lepton électronique est le doublet faible de l'électron et de l'électron-neutrino.

Bosons

Les bosons ont un spin de particules égal à un entier (des nombres entiers comme 1, 2, 3, etc.). Ces particules médient les forces fondamentales de la physique sous les théories quantiques des champs.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Le boson de Higgs
• Graviton

Particules composites

Les hadrons sont des particules constituées de plusieurs quarks liés entre eux de telle sorte que leur spin est une valeur demi-entière. Les hadrons sont divisés en mésons (qui sont des bosons) et en baryons (qui sont des fermions).

• Mesons
• Baryons
• Nucléons
• Hyperons: particules de courte durée composées d'étranges quarks

Les molécules sont des structures complexes composées de plusieurs atomes liés ensemble. Élément constitutif chimique de base de la matière, les atomes sont composés d'électrons, de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont des nucléons, le type de baryon qui forment ensemble la particule composite qui est le noyau d'un atome. L'étude de la façon dont les atomes se lient ensemble pour former diverses structures moléculaires est le fondement de la chimie moderne.

Classification des particules

Il peut être difficile de garder tous les noms droits dans la physique des particules, il pourrait donc être utile de penser au monde animal, où une telle dénomination structurée pourrait être plus familière et intuitive. Les humains sont des primates, des mammifères et aussi des vertébrés. De même, les protons sont des nucléons, des baryons, des hadrons et aussi des fermions.

La différence malheureuse est que les termes ont tendance à se ressembler. La confusion des bosons et des baryons, par exemple, est beaucoup plus facile que la confusion des primates et des invertébrés. La seule façon de vraiment séparer ces différents groupes de particules est de les étudier attentivement et d'essayer de faire attention au nom utilisé..

Sous la direction d'Anne Marie Helmenstine, Ph.D.