Le Modèle standard de la physique des particules contient 12 saveurs de fermions élémentaires, plus leurs antiparticules correspondantes, ainsi que des bosons élémentaires qui médient les forces et le boson de Higgs, qui a été signalé le 4 juillet 2012, comme ayant probablement été détecté par les deux expériences principales du Grand Collisionneur de Hadrons (ATLAS et CMS).(pp1–3) Cependant, le Modèle standard est largement considéré comme une théorie provisoire plutôt qu’une théorie vraiment fondamentale, car on ne sait pas s’il est compatible avec la relativité générale d’Einstein. Il peut y avoir des particules élémentaires hypothétiques non décrites par le Modèle standard, telles que le graviton, la particule qui porterait la force gravitationnelle, et les sparticules, partenaires supersymétriques des particules ordinaires.

Fermions fondamentauxmodifier

Les 12 fermions fondamentaux sont divisés en 3 générations de 4 particules chacune. La moitié des fermions sont des leptons, dont trois ont une charge électrique de -1, appelés électron (
e−
), muon (
μ−
) et tau (
τ−
) ; les trois autres leptons sont des neutrinos (
ν
e,
ν
μ,
ν
τ), qui sont les seuls fermions élémentaires sans charge électrique ni de couleur. Les six particules restantes sont des quarks (voir ci-dessous).

GenerationsEdit

MassEdit

The following table lists masses mesurées actuelles et estimations de masse pour tous les fermions, en utilisant la même échelle de mesure: des millions d’électrons-volts par rapport au carré de la vitesse de la lumière (MeV/c2). Par exemple, la masse de quarks la plus précisément connue est celle du quark supérieur (
t
) à 172,7 GeV/c2 ou 172 700 MeV/c2, estimée à l’aide du schéma On-shell.

Estimates of the values of quark masses depend on the version of quantum chromodynamics used pour décrire les interactions de quarks. Les quarks sont toujours confinés dans une enveloppe de gluons qui confèrent une masse beaucoup plus grande aux mésons et aux baryons où se trouvent les quarks, de sorte que les valeurs des masses de quarks ne peuvent pas être mesurées directement. Étant donné que leurs masses sont si petites par rapport à la masse effective des gluons environnants, de légères différences dans le calcul font de grandes différences dans les masses.

AntiparticlesEdit

Il existe également 12 antiparticules fermioniques fondamentales qui correspondent à ces 12 particules. Par exemple, l’antiélectron (positron)
e +
est l’antiparticule de l’électron et a une charge électrique de +1.

QuarksEdit

Les quarks et antiquarks isolés n’ont jamais été détectés, ce qui s’explique par le confinement. Chaque quark porte l’une des trois charges de couleur de l’interaction forte ; les antiquarks portent de même des anticolor. Les particules chargées de couleur interagissent via un échange de gluons de la même manière que les particules chargées interagissent via un échange de photons. Cependant, les gluons sont eux-mêmes chargés de couleur, ce qui entraîne une amplification de la force forte lorsque les particules chargées de couleur sont séparées. Contrairement à la force électromagnétique, qui diminue lorsque les particules chargées se séparent, les particules chargées de couleur ressentent une force croissante.

Cependant, les particules chargées de couleur peuvent se combiner pour former des particules composites de couleur neutre appelées hadrons. Un quark peut être associé à un antiquark : le quark a une couleur et l’antiquark a l’anticolor correspondant. La couleur et l’anticouleur s’annulent, formant un méson de couleur neutre. Alternativement, trois quarks peuvent exister ensemble, un quark étant « rouge », un autre « bleu », un autre « vert ». Ces trois quarks colorés forment ensemble un baryon de couleur neutre. Symétriquement, trois antiquarks avec les couleurs « antired », « antiblue » et « antigreen » peuvent former un antibaryon de couleur neutre.

Les quarks portent également des charges électriques fractionnaires, mais, comme ils sont confinés dans des hadrons dont les charges sont toutes intégrales, les charges fractionnaires n’ont jamais été isolées. Notez que les quarks ont des charges électriques de +2⁄3 ou -1⁄3, alors que les antiquarks ont des charges électriques correspondantes de -2⁄3 ou +1⁄3.

La preuve de l’existence des quarks provient de la diffusion inélastique profonde: tirer des électrons sur les noyaux pour déterminer la distribution de la charge dans les nucléons (qui sont des baryons). Si la charge est uniforme, le champ électrique autour du proton doit être uniforme et l’électron doit se disperser élastiquement. Les électrons de basse énergie se dispersent de cette façon, mais, au-dessus d’une énergie particulière, les protons dévient certains électrons par de grands angles. L’électron en recul a beaucoup moins d’énergie et un jet de particules est émis. Cette diffusion inélastique suggère que la charge dans le proton n’est pas uniforme mais divisée entre des particules chargées plus petites: les quarks.

Bosons fondamentauxdit

Dans le modèle standard, les bosons vectoriels (spin-1) (gluons, photons et bosons W et Z) médient les forces, tandis que le boson de Higgs (spin-0) est responsable de la masse intrinsèque des particules. Les bosons diffèrent des fermions par le fait que plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique (principe d’exclusion de Pauli). De plus, les bosons peuvent être élémentaires, comme les photons, ou une combinaison, comme les mésons. Le spin des bosons sont des entiers au lieu de demi-entiers.

GluonsEdit

Les gluons médient l’interaction forte, qui joignent les quarks et forment ainsi des hadrons, qui sont soit des baryons (trois quarks), soit des mésons (un quark et un antiquark). Les protons et les neutrons sont des baryons, reliés par des gluons pour former le noyau atomique. Comme les quarks, les gluons présentent une couleur et un anticolor – sans rapport avec le concept de couleur visuelle et plutôt avec les interactions fortes des particules – parfois en combinaisons, soit au total huit variations de gluons.

Bosons électrofaiblesdit

Il existe trois bosons de faible jauge: W +, W- et Z0; ceux-ci médient l’interaction faible. Les bosons W sont connus pour leur médiation dans la désintégration nucléaire: Le W− convertit un neutron en proton puis se désintègre en une paire électron et électron-antineutrino.Le Z0 ne convertit pas la saveur ou les charges des particules, mais modifie plutôt l’élan; c’est le seul mécanisme de diffusion élastique des neutrinos. Les bosons de faible jauge ont été découverts en raison du changement de moment des électrons par l’échange de neutrino-Z. Le photon sans masse médie l’interaction électromagnétique. Ces quatre bosons de jauge forment l’interaction électrofaible entre les particules élémentaires.

Boson de Higgs

Bien que les forces faibles et électromagnétiques nous semblent très différentes aux énergies quotidiennes, les deux forces sont théorisées pour s’unifier en une seule force électrofaible aux hautes énergies. Cette prédiction a été clairement confirmée par des mesures de sections transversales pour la diffusion électron-proton à haute énergie au collisionneur de HERA à DESY. Les différences aux basses énergies sont une conséquence des masses élevées des bosons W et Z, qui à leur tour sont une conséquence du mécanisme de Higgs. Par le processus de rupture spontanée de symétrie, le Higgs sélectionne une direction spéciale dans l’espace électrofaible qui fait que trois particules électrofaibles deviennent très lourdes (les bosons faibles) et qu’une reste avec une masse de repos indéfinie car elle est toujours en mouvement (le photon). Le 4 juillet 2012, après de nombreuses années de recherche expérimentale de preuves de son existence, il a été annoncé que le boson de Higgs avait été observé au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN. Peter Higgs qui a d’abord postulé l’existence du boson de Higgs était présent à l’annonce. Le boson de Higgs aurait une masse d’environ 125 GeV. La signification statistique de cette découverte a été rapportée comme 5 sigma, ce qui implique une certitude d’environ 99,99994%. En physique des particules, c’est le niveau de signification requis pour étiqueter officiellement les observations expérimentales comme une découverte. La recherche sur les propriétés de la particule nouvellement découverte se poursuit.

GravitonEdit

Le graviton est une particule élémentaire hypothétique de spin-2 proposée pour médier la gravitation. Bien qu’il reste inconnu en raison de la difficulté inhérente à sa détection, il est parfois inclus dans des tableaux de particules élémentaires.(pp1–3) Le graviton conventionnel est sans masse, bien qu’il existe des modèles contenant des gravitons massifs de Kaluza–Klein.