Les particules élémentaires

… tout ce que vors n’avez pas osé avouer ignorer sur la nature de ces corpuscules et les forces qui les lient (was die Welt im Innersten zusammenhält).

… et nous ne parlons évidemment pas ici du roman de Michel H. du même titre. A moins que les expériences d’Alain A. qu’il évoque nous donnent l’occasion d’une révision critique de notre représentation « naive » de la « réalité ».

Petite introduction au monde sub-atomique

L’idée de base est assez simple, et Démocrite (un ancien Grec ayant vécu cinq ou quatre siècles av. J.-C.) l’a déjà eue : toute la matière est faite d’un grand nombre de petits trucs qu’on appelle atomes (« indivisibles ») faute de mieux. Les atomes se combinent entre eux par diverses forces et forment des assemblages (comme des molécules ou des cristaux). Cela fait des choses de plus en plus grandes jusqu’aux objets familiers (et jusqu’aux étoiles en fait). L’avantage de ce point de vue est que les « atomes » sont petits, simples, et les forces entre eux sont simples aussi. La complexité du monde provient donc essentiellement du fait qu’on peut imaginer un si grand nombre de combinaisons possible entre tant d’atomes. (Pour avoir un ordre de grandeur, une goutte d’eau contient à peu près 1020 = cent millions de millions de millions de molécules d’eau.)

Pour Démocrite, les « atomes » pouvaient avoir cinq formes différentes : un tétraèdre = un petite pyramide avec un triangle comme base, un cube, un octaèdre = deux petites pyramides collées à leur base qui est un carré, un « dodécaèdre » = un truc avec douze facettes en forme de pentagones, et finalement un « icosaèdre » avec vingt facettes en forme de triangles. Il s’imaginait des petits crochets aux facettes des ces objets par lequels ils s’agrippaient les uns les autres. Curieusement, on appelle ces objets géométriques aujourd’hui les « corps platoniques » (au moins en allemand) bien que Platon ait vécu plus tard que Démocrite. Ce ne serait pas la première fois que l’anecdotique ne respecterait les trames historiques.

La vision « moderne » n’est pas plus compliquée en principe, ce sont juste les noms des différents « atomes » qui sont étranges. Ce que l’on appelle un « atome » n’est en fait plus indivisible, mais composé d’un noyau et d‘électrons. Les deux s’attirent (même sans crochets…) par une attraction électrique parce qu’ils ont des « charges électriques opposées ». C’est un peu comme les aimants qui peuvent s’attirer ou se repousser en fonction des côtés qu’on approche. On s’imagine que les électrons « tournent » autour du noyau parce que c’est lui qui est beaucoup plus lourd. C’est comme la Terre qui tourne autour du Soleil.

Pour la physique moderne, l’électron est vraiment une « particule élémentaire », c’est-à-dire qu’il est vraiment indivisible (ce qui n’est pas vrai pour un atome). L’électron restera indivisible jusqu’au jour où l’on prouvera le contraire (il n’y a pas de vérité ultime en physique, science expérimentale).

Le noyau de l’atome lui n’est pas indivisible : il est composé de protons et de neutrons. Les protons ont une charge électrique (positive), les neutrons sont neutres (= n’ont pas de charge). Le noyau le plus simple consiste d’en un seul proton. Quand il y a un électron autour de lui, cela fait l’atome le plus simple, l’atome d’« hydrogène » ou « H » en bref (c’est le « H » dans « H2O » pour l’eau). Une petite formule :

H = p e

(hydrogène = proton et électron). Il y a beaucoup d’hydrogène dans l’Univers, même s’il est plutôt rare sur Terre. Le soleil par exemple est composé pour l’essentiel (plus de 75% je crois) d’atomes d’hydrogène.

Petit exercise de révision :
pourquoi n’y a-t-il pas un atome avec un neutron comme noyau et un électron ?

Le prochain noyau, un peu plus compliqué qu’un proton, est une combinaison d’un proton et d’un neutron. En fait, les deux s’attirent aussi, mais par une autre force qui n’est pas électrique. Cette force s’appelle « la force forte » ou « l’interaction forte ». Ce n’est pas un nom très ingénieux, il faut l’admettre.

Voilà c’est presque tout pour les atomes. Si l’on s’imagine maintenant les différentes combinaisons possibles des protons, des neutrons et des électrons, une dernière règle encore : est appelé « atome » ce qui n’a globalement pas de charge électrique (« un atome est neutre »). Pour l’hydrogène, la charge totale est nulle parce que l’électron a une charge électrique négative, la somme de +1 (proton) et de -1 (électron) fait donc zéro. Pour le truc de tout à l’heure avec (proton+neutron) et électron, la charge est nulle aussi. Ce truc s’appelle d’ailleurs « l’isotope deutérium de l’hydrogène » parce qu’au niveau des électrons, il se comporte comme de l’hydrogène (un seul électron), mais comme le noyau est différent, il faut bien lui donner un autre nom. Quelques pourcents d’hydrogène qu’on trouve dans la nature (dans l’eau par exemple) sont en réalité du deutérium. Si vous vous souvenez de la mystérieuse « eau lourde », sa formule est D2O : elle est faite de deux atomes de deutérium et d’un oxygène ordinaire.

Passons aux atomes avec plus d’un proton dans le noyau : il y a par exemple les atomes d’hélium avec deux électrons et dans le noyau deux protons et un, deux, trois neutrons. Trois électrons, cela fait le lithium, pour l’oxygène, il en faut huit, et le fer en a plusieurs dizaines (j’ai oublié combien).

L’histoire continue encore parce que le proton et le neutron ne sont pas élémentaires, mais composés de quarks. Ce nom vraiment bizarre provient d’ailleurs d’un texte de James Joyce (de « Finnigan’s Wake ») où il est question de certains objets qui arrivent toujours par trois. Les physiciens (en fait, Murray Gell-Mann) ont sauté sur ce « par trois », parce qu’il faut trois quarks pour faire un proton (ou un neutron). Les quarks ont des charges électriques, mais très bizarres, un tiers ou deux tiers de la charge de l’électron, en plus avec des signes différents ! Dans le proton, c’est 2/3 + 2/3 – 1/3 qui font +1, dans le neutron, on a 2/3 – 1/3 -1/3 = 0. Pour compliquer les choses, les quarks s’attirent aussi par l’interaction forte. C’est d’ailleurs nécessaire sinon, la répulsion électrique entre les charges du même signe ferait exploser le proton. Pour montrer à quel point ces noms sont arbitraires : l’interaction forte, par exemple, s’appelle « forte » pour la seule raison qu’elle est plus forte que l’interaction électrique. Le proton et le neutron sont fabriqués par deux types de quarks : le « up » et le « down » (fin totale de l’imagination, ce sont des flèches vers le haut et vers le bas en anglais). Le up a une charge (électrique) +2/3, le down une charge -1/3 (je crois). Une petite formule suggestive :

p = u u d

(un proton = deux quarks up et un quark down).

On peut jouer le jeu et combiner les quarks entre eux comme on avait fait auparavant avec les protons, neutrons et électrons. Mais les noms des produits deviennent de plus en plus cryptiques : des « mésons » (deux quarks), des « particules étranges » (avec un quark « étrange » de charge électrique +1/3), des « résonances », et je passe. En total, il y a six quarks différents :

up étrange top (ou « vérité »)
down charme bottom

Pourtant, la matière visible dans l’univers est fabriquée à partir des seuls quarks up et down. On ne sait pas pourquoi les quatre autres existent.

Je crois que cela suffira pour commencer. Pour continuer, on pourrait parler du fait que les objets composés ne sont parfois pas stables et se désintègrent dans d’autres (un neutron émet un électron et devient un proton). Il y a encore les « photons » et les « gluons » à mentionner (les particules qui « véhiculent » la force électrique et l’interaction forte). Il y a les « antiparticules » qui donnent un éclair d’énergie (souvent deux photons) lorsqu’on les combine avec leurs partenaires particules. Les « neutrinos » ont eux aussi une longue histoire (on se demande si la masse cachée de l’univers est faite de neutrinos). C’est d’ailleurs un italicisme : Enrico Fermi appela ainsi un « petit neutron » parce que neutre et avec une masse beaucoup plus petite. Eh oui, j’ai aussi oublié de parler un peu plus des masses (dans E = m c2, « m » c’est la masse !). Et finalement il faudrait dire comment on arrive à proférer de telles absurdités, donc quel genre d’expériences et d’observations sont à faire pour trouver tout cela.

Pour en savoir plus…

Le site de Gérard V. consacré aux mathématiques et le soi-disant « modèle standard » des particules de la physique.


histoire des versions : 11 jan 1999 ; 08 juin 2000 ; 26 déc 2015

Réponse : parce qu’il n’y a pas d’attraction électrique entre les deux, le neutron n’ayant aucune charge électrique (il est neutre). Retour au texte

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