Liste De Particules

Cet article est une liste de particules en physique des particules, incluant les particules élémentaires actuellement connues et hypothétiques, ainsi que les particules composites qui peuvent être construites à partir d'elles.

Sommaire 1 Particules élémentaires 1.1 Modèle standard 1.1.1 Fermions (spin demi-entier) 1.1.2 Bosons (spin entier) 1.2 Particules hypothétiques 2 Particules composites 2.1 Hadrons 2.1.1 Baryons (fermions) 2.1.2 Mésons (bosons) 2.2 Noyaux atomiques 2.3 Atomes 2.4 Molécules 3 Stabilité des particules 3.1 Rappel sur la relation d'incertitude temps-énergie 3.2 Application à l'observation d'une particule immobile 3.3 Caractérisations du temps de désintégration 3.4 Facteurs influant sur le temps de désintégration 3.4.1 Nature de l'interaction 3.4.1.1 La gravitation 3.4.1.2 L'interaction faible 3.4.1.3 L'interaction électromagnétique 3.4.1.4 L'interaction forte 3.4.2 Bilan de masses 4 Matière condensée 5 Autres 6 Catégorisation par vitesse 7 Voir aussi 8 Références

Particules élémentaires

Une particule élémentaire est une particule ne possédant aucune structure interne mesurable, c’est-à-dire qu'elle n'est pas composée d'autres particules. Il s'agit des objets fondamentaux de la théorie quantique des champs. Les particules élémentaires peuvent être classées selon leur spin, les fermions possédant un spin demi-entier et les bosons un spin entier.

Modèle standard

Le modèle standard décrit l'état actuel des connaissances des particules élémentaires. Toutes les particules du modèle standard ont été observées, à l'exception du boson de Higgs.

Fermions (spin demi-entier)

Les fermions possèdent un spin demi-entier ; pour tous les fermions élémentaires connus, il s'agit de ½. Chaque fermion possède sa propre antiparticule distincte. Les fermions sont les briques de base de la matière. Ils sont classés suivant qu'ils interagissent par l'intermédiaire de l' interaction forte ou pas. Selon le modèle standard, il existe douze saveurs de fermions élémentaires : six quarks et six leptons.

• Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte. Leurs antiparticules respectives sont les antiquarks. Il existe six saveurs de quarks :

Génération	Nom / Saveur		Charge électrique (e)	Masse (MeV)	Antiquark
1	Up	(u)	+2/3	1,5 à 4	Anti-up
	Down	(d)	−1/3	4 à 8	Anti-down
2	Strange	(s)	−1/3	80 à 130	Anti-strange
	Charm	(c)	+2/3	1 150 à 1 350	Anti-charm
3	Bottom	(b)	−1/3	4 100 à 4 400	Anti-bottom
	Top	(t)	+2/3	170 900 ± 1 800	Anti-top

• Les leptons n'interagissent pas par l'intermédiaire de l'interaction forte. Leurs antiparticules respectives sont les antileptons (même si l'antiparticule de l'électron est appelée positron pour des raisons historiques). Il existe six saveurs de leptons :

Lepton chargé / antiparticule				Neutrino / antineutrino
Nom	Symbole	Charge électrique (e)	Masse (MeV)	Nom	Symbole	Charge électrique (e)	Masse (MeV)
Électron / positron		−1 / +1	0,511	Neutrino électronique / antineutrino électronique		0	< 0,0000022 [1]
Muon		−1 / +1	105,7	Neutrino muonique / antineutrino muonique		0	< 0,17 [1]
Tauon		−1 / +1	1 777	Neutrino tauique / antineutrino tauique		0	< 15,5 [1]

Note : on sait que les masses des neutrinos ne sont pas nulles à cause de l'effet d'oscillation, mais elles sont suffisamment faibles pour ne pas avoir été mesurées directement en 2006.

Bosons (spin entier)

Les bosons possèdent un spin entier. Les interactions élémentaires sont transmises par les bosons de jauge et leur masse est théoriquement créée par le boson de Higgs. Selon le modèle standard, les bosons élémentaires sont :

Name	Charge (e)	Spin	Masse (GeV)	Interaction
Photon	0	1	0	Électromagnétisme
W±	±1	1	80,4	Interaction faible
Z0	0	1	91,2	Interaction faible
Gluon	0	1	0	Interaction forte
Higgs	0	0	>115	Voir ci-après

Le boson de Higgs (de spin nul) est prédit par la théorie électrofaible et est la seule particule du modèle standard à ne pas avoir été observée. Dans le mécanisme de Higgs du modèle standard, le boson de Higgs est créé par une brisure spontanée de symétrie du champ de Higgs. La masse intrinsèque des particules élémentaires (tout particulièrement celle des bosons W et Z) est expliquée par leur interaction avec ce champ.

Particules hypothétiques

Les théories supersymétriques prédisent l'existence de plus de particules, aucune n'ayant été confirmée expérimentalement en 2007.

• Le neutralino (spin ½) est une superposition des superpartenaires de plusieurs particules neutres du modèle standard. Il s'agit du candidat principal pour la matière noire. Les super-partenaires des bosons chargés sont appelés charginos.
• Le photino (spin ½) est le super-partenaire du photon.
• Le gravitino (spin 3/2) est le super-partenaire du graviton dans les théories de la supergravité.
• Les sleptons et les squarks (spin 0s) sont les super-partenaires des fermions du modèle standard. Le squark stop (super-partenaire du quark top) est supposé léger et est souvent le sujet de recherches expérimentales.

La supersymétrie associe à chaque fermion un boson
et réciproquement

Particule du modèle standard	Partenaire supersymétrique
Quark (Fermion)	Squark (Boson)
Electron (Fermion)	Sélectron (Boson)
Neutrino (Fermion)	Sneutrino (Boson)
Gluon (Boson)	Gluino (Fermion)
Graviton (Boson)	Gravitino (Fermion)
Photon (Boson)	Photino (Fermion)

D'autres théories prédisent l'existence de bosons additionels :

• Le graviton (spin 2) a été proposé comme vecteur de la gravitation dans les théories de gravitation quantique.
• Le graviscalaire (spin 0).
• L'axion (spin 0) est une particule pseudo-scalaire introduite par la théorie de Peccei-Quinn afin de résoudre le problème de l'absence de violation de la symétrie CP dans la chromodynamique quantique.
• Le saxion (spin 0) et l'axino (spin 1/2) forment avec l'axion un super-multiplet dans les extensions supersymétriques de la théorie de Peccei-Quinn.
• Le boson X et le boson Y, prédits par les théories de grande unification comme des équivalents plus massifs des bosons W et Z.
• Le photon magnétique

Le monopôle magnétique est le nom général de particules possédant une charge magnétique non-nulle ; elles sont prédites par certaines théories de grande unification.

Un tachyon est une particule hypothétique qui voyage plus rapidement que la vitesse de la lumière et possède une masse au repos imaginaire

Le préon était une sous-structure théorique des quarks et des leptons, mais les collisionneurs n'ont pas prouvé leur existence.

Particules composites

Hadrons

Les hadrons sont des particules composites interagissant avec l'interaction forte. Il s'agit :

• de fermions, auquel cas ils sont appelés baryons ;
• de bosons, auquel cas ils sont appelés mésons.

Le modèle des quarks, proposé en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig (de façon indépendante), décrit les hadrons comme composé de quarks et d'antiquarks de valence, lié par l'interaction forte, laquelle est transmise par des gluons. Une « mer » de paires quark-antiquark virtuelles est également présente dans chaque hadron.

Baryons (fermions)

Pour une liste détaillée, voir Baryon.

Les baryons ordinaires contiennent trois quarks ou antiquarks de valence :

• Les nucléons sont les composants fermioniques des noyaux atomiques standards :
  • Proton
  • Neutron
• Les hypérons tels les particules Λ, Σ, Ξ et Ω, qui contiennent un ou plusieurs quarks strange, ont une durée de vie courte et sont plus massifs que les nucléons.
• Quelques baryons comportants des quarks charm et bottom ont été observés.

Quelques indications de l'existence de baryons exotiques ont été détectées récemment, mais leur existence est toujours incertaine :

• Le pentaquark est formé de quatre quarks de valence et d'un antiquark de valence.

Mésons (bosons)

Pour une liste détaillée, voir Méson.

Les mésons ordinaires contiennent un quark de valence et un antiquark de valence, et incluent le pion, le kaon, le méson J/Ψ. Dans les modèles d'hadrodynamique quantique, l'interaction forte entre nucléons est transmise par des mésons.

Des mésons exotiques pourraient exister. Leur signature a été détectée, mais leur existence est toujours incertaine :

• Le tétraquark est formé de deux quarks et de deux antiquarks de valence.
• La boule de glu est formée de gluons liés et ne possède aucun quark de valence.
• les hybrides sont formés de un ou plusieurs quarks ou antiquarks de valence et d'un ou plusieurs gluons.

Noyaux atomiques

Le noyau atomique est formé de protons et de neutrons. Chaque type de noyau contient un nombre spécifique de ces deux particules et est appelé un isotope.

Atomes

Les atomes sont les plus petites particules neutres du point de vue des réactions chimiques. Un atome est constitué d'un noyau atomique entouré d'un nuage électronique. Chaque type d'atome correspond à un élément chimique spécifique.

Molécules

Les molécules sont les plus petites particules en lesquelles une substance non-élémentaire peut être divisée tout en conservant ses propriétés physiques. Les molécules sont des composés d'un ou plusieurs atomes.

Stabilité des particules

Parmi les particules mentionnées ci-dessus, très peu sont stables. En outre, leurs temps de vie varient par des dizaines d'ordres de grandeurs (puissances de 10), et ceci indépendamment de leur nature élémentaire ou composée. Le lecteur non initié peut être surpris en apprenant que ces temps de vie sont très largement indépendants du classement présenté sur ces listes.

La présente section est destinée à montrer pourquoi le temps de vie est considéré comme un caractère secondaire pour cette classification.

Rappel sur la relation d'incertitude temps-énergie

Comme il est mentionné dans l'article sur le principe d'incertitude, il existe en mécanique quantique une relation entre l'incertitude (écart-type) Δt sur le temps t où une mesure est effectuée sur un système quantique et celle, ΔE sur la mesure de son énergie E, qui s'écrit Δt ×  ΔE ≥ ħ/2.

Le système considéré peut être, selon les cas, une particule élémentaire, un hadron ou un noyau atomique, et nous désignerons dans cette section toutes ces entités par le mot particule.

Application à l'observation d'une particule immobile

Si une particule de masse m est immobile, son énergie E est égale   – grâce à la relation d'équivalence –   à E = m c².

S'il existe des interactions susceptibles de provoquer la transformation de la particule observée en deux ou plusieurs autres particules, cette transformation n'aura lieu définitivement que si la masse de la particule observée est supérieure à la somme des masses des particules éventuellement produites, car le temps qui s'écoulera après cette transformation sera arbitrairement long, et donc l'énergie doit être rigoureusement conservée : ceci reste compatible avec la relation d'incertitude, qui fait alors intervenir un produit indéterminé, avec Δt  infini et ΔE nul. La différence entre l'énergie de masse de la particule initiale et la somme des énergies de masse des particules finales se transforme en énergie cinétique, nécessaire pour aboutir à une séparation des diverses particules finales à vitesse suffisante. Elle doit donc être strictement positive.

Dans le cas où ces deux conditions sont satisfaites : existence d'une interaction susceptible de provoquer le phénomène, et condition sur les masses satisfaite, la particule sera instable et se transformera à terme en un ensemble de particules, qui se sépareront pour de bon. On appelle ce phénomène désintégration.

La mesure de l'énergie de la particule avec un écart-type ΔE, d'après la relation d'incertitude prend au moins un temps Δt de l'ordre de ħ/ΔE. On ne peut l'effectuer que si la particule ne se désintègre pas dans cet intervalle. Il est donc impossible de mesurer la masse de la particule avec une trop grande précision. Il faut donc accepter que la masse de la particule soit définie avec une incertitude intrinsèque, inversement proportionnelle au temps qu'elle met à se désintégrer.

Caractérisations du temps de désintégration

Comme il est montré dans l'article Radioactivité, les particules instables se désintègrent selon une loi statistique exponentielle, où le nombre N(t) subsistant après un temps t  est donné par l'exponentielle :

La grandeur τ s'appelle la vie moyenne de ce type de particule, car elle représente effectivement la moyenne des temps pendant lesquels on peut observer chaque particule. Pour des particules extrêmement instables, pour lesquelles une mesure directe de ce temps est impossible (il peut être de l'ordre de 10^-24 s) comme on en trouve en physique subnucléaire, on préfère souvent parler de largeur, notée Γ, qui caractérise la dispersion, directement accessible, des énergies de masse mesurées. Ce n'est pas l'écart-type, car on constate que ce dernier n'est pas plus défini que dans le cas d'une résonance mécanique ou électrique. Γ est en fait la largeur à mi-hauteur de la courbe donnant la probabilité de production de la particule instable en fonction de l'énergie.

Les deux grandeurs τ et Γ sont reliées par la relation Γ τ = ħ. Pour faire la conversion, on peut noter que : ħ = 6,582 10^-22 MeV-s. Ainsi une particule de largeur Γ = 100 MeV aura une vie moyenne de τ = 6,582 10^-24 seconde.

Facteurs influant sur le temps de désintégration

Nous avons vu que pour obtenir une désintégration, il faut d'une part une interaction susceptible de la produire, et d'autre part un bilan de masses favorable. Ces deux points ont une importance cruciale pour la détermination du temps de désintégration. Il en existe d'autres, d'importance mineure, comme le nombre de possibilités ou voies de désintégration, c'est-à-dire le nombre de combinaisons de particules dans lesquelles la particule initiale peut se désintégrer, ou encore le mécanisme de la désintégration, plus ou moins complexe. C'est ainsi qu'on appelle improprement métastables, en physique nucléaire, des nucléides de vie moyenne exceptionnellement longue. Citons par exemple le ^99mTc, ou « technétium métastable », qui a un temps de vie de 4,17 h, bien qu'ayant une énergie entre celles de deux états de temps de vie respectivement 0,13 ns et 2,5 ns.

Nature de l'interaction

La gravitation

Cette interaction est totalement négligeable à l'échelle des particules manipulées en laboratoire, et on ne connaît pas de réaction de désintégration qu'elle pourrait provoquer. Nous la négligerons donc dans ce qui suit.

L'interaction faible

L'interaction faible, comme son nom l'indique, est la plus faible de toutes les autres.

Elle possède néanmoins des propriétés qui la singularisent, et notamment le fait qu'elle n'a pas à suivre certaines lois de conservation. C'est ainsi qu'elle peut modifier les saveurs des leptons et quarks, et provoquer les désintégrations des plus lourds d'entre eux vers les plus légers. Compte tenu de sa faiblesse, ce processus est lent, et ne sera détecté qu'en l'absence de désintégrations dues à d'autres types d'interactions. En physique nucléaire, cette classe de désintégrations est celle de la désintégration β. En outre, entre deux nucléides, il est statistiquement probable (voir la table des isotopes) que les différences de masses soient suffisamment faibles pour ralentir encore une désintégration β théoriquement possible.

On distingue deux classes de désintégrations β : les β^–, ainsi nommées car elles donnent lieu à l'émission d'un électron chargé négativement, et d'un antineutrino ; les β⁺ donnent lieu à l'émission des antiparticules : un positron et un neutrino. Le prototype de la désintégration β^– est la désintégration du neutron en proton :

Il existe en outre des réactions qui sont impossibles par désintégration β, pour cause de bilan de masse négatif, mais dont le noyau éventuellement produit pourrait, lui, subir une nouvelle désintégration β avec un bilan de masses très favorable. Il se produit alors un phénomène semblable à l'effet tunnel, caractéristique de la mécanique quantique : le principe d'incertitude permet, pendant une courte durée, de violer la loi de conservation de l'énergie.

Si les deux désintégrations β se suivent suffisamment rapidement, l'étape intermédiaire interdite par la conservation de l'énergie peut être franchie. C'est le phénomène de la double désintégration β. Évidemment, ce phénomène est rare et lent, puisqu'il cumule les difficultés liées à deux désintégrations β successives, ainsi que celle liée aux contraintes de l'effet tunnel.

L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est moins puissante que l'interaction forte, et elle ne viole pas de loi de conservation bien établie, comme le fait l'interaction faible. Elle possède cependant un avantage sur l'interaction forte, qui est de pouvoir émettre des photons (notés γ dans la liste des particules). Les photons, qui transmettent l'interaction électromagnétique, en sont un élément caractéristique.

Or les photons ont une masse nulle. Leur énergie est purement cinétique, et peut être aussi faible que de besoin. Ils comptent donc pour zéro dans le bilan de masses d'une désintégration, ce qui augmente le nombre de cas où la désintégration d'une particule n'est possible que par la présence d'un photon parmi les particules de l'état final. En physique subnucléaire, ce type de désintégration est dans la plupart des cas dominé par des modes de désintégration découlant de l'interaction forte, et n'apparaît alors que comme une voie minoritaire, parfois même difficile à apercevoir. Il est très commun en physique nucléaire, où il est appelé désintégration γ (voir Rayonnement ionisant).

L'interaction électromagnétique ne provoque pas toujours des désintégrations γ. En effet, dans les nucléides lourds, la charge électrique totale est telle que le champ coulombien électrostatique aboutit fréquemment à l'expulsion d'un petit fragment, le plus fortement lié étant le noyau d'hélium, ou particule α. Le fait d'être fortement lié se traduit par une masse plus faible que celle de ses constituants, et favorise le bilan de masse de l'expulsion. C'est la désintégration α.

Une manifestation plus spectaculaire encore est la fission. Les nucléides lourds sont près de l'instabilité : une petite déformation allongeant le nucléide va provoquer une répulsion entre les extrémités, et la déformation ira en s'amplifiant, jusqu'à la séparation du nucléide en deux gros fragments, et quelques petits, notamment plusieurs neutrons. Un certain nombre de nucléides sont ainsi sujets à des « fissions spontanées » : la mécanique quantique empêche la surface d'être immobile, sinon elle serait délocalisée, en raison du principe d'incertitude. N'étant pas immobile, elle peut être entraînée dans la zone d'instabilité catastrophique.

Il ne faut pas confondre ce phénomène avec celui de la « fission induite », provoquée par le choc avec des neutrons, et qui se trouve à la base de la réaction en chaîne produisant l'énergie nucléaire et la bombe A. Dans ce dernier cas, c'est la collision avec le neutron qui va provoquer la déformation critique. Cependant, certains nucléides, comme ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ou des isotopes du Cm, sont susceptibles de fission spontanée et de fission induite.

L'interaction forte

Quand c'est possible, l'interaction forte va, en raison de son intensité, dominer les autres, et entraîner des désintégrations extrêmement rapides. C'est ainsi que, dans le domaine des particules subnucléaires, où les masses sont assez dispersées, beaucoup de particules peuvent se désintégrer en une autre accompagnée d'un pion, ce dernier ayant une masse assez faible par rapport aux écarts de masses. On obtient ainsi des temps de vie extrêmement faibles, ou des largeurs très grandes, qui peuvent être de l'ordre de la centaine de MeV, soit environ l'ordre de grandeur de la masse du pion. Dans ce cas, on ne peut pas séparer les deux processus : formation de la particule instable, et désintégration quasiment immédiate. La particule instable apparaît alors comme une « résonance » dans la collision des particules servant à la fabriquer, autour d'une fréquence (reliée à l'énergie de masse par la constante de Planck) définie à l'intérieur de la largeur.

Cependant, l'interaction forte se trouve sévèrement encadrée par des lois de conservation qui l'empêchent souvent de réaliser des désintégrations dont le bilan de masse serait pourtant très favorable.

Dans le domaine de la physique nucléaire, l'interaction forte joue un rôle bien différent, en raison de la proximité des masses, qui rend impossible l'émission de pions. Le caractère attractif de l'interaction forte lui donne un rôle stabilisateur. Elle ne peut donc pas être considérée dans ce domaine comme source de désintégrations.

Bilan de masses

Une simple inspection des tables figurant en tête d'article montre la diversité des masses des particules. Même les particules les plus élémentaires présentent une variété de masses considérable. C'est ainsi que les bosons vecteurs qui transmettent les interactions élémentaires ont des masses qui varient de 0 (graviton, photon) à 80-90 GeV (W et Z). Les premiers sont stables pour une double raison : ils ne peuvent pas se décomposer en d'autres particules avec un bilan de masses strictement positif, et par ailleurs, les lois de la relativité leur donneraient un temps de vie infini dans tout repère fixe, puisqu'ils vont à la vitesse de la lumière par rapport à tout repère.

Inversement, les plus lourds, tels les W et Z, présentent des largeurs comprises entre 2 et 3 GeV, soit des temps de vie de l'ordre de 3 10^-25 s, bien qu'exempts d'interaction forte.

De même, la variété des masses des fermions  – leptons et quarks –  donne une très large gamme de temps de désintégration pour les leptons (de stable à 3 10^-13 s pour les leptons chargés), ou pour les particules stables par interaction forte et contenant des quarks lourds (plus de 4 ordres de grandeur, le temps de vie des mésons contenant un quark top n'étant actuellement pas mesuré)^[2].

Matière condensée

Les équations de champ de la physique de la matière condensée sont remarquablement similaires à celles de la physique des particules. En conséquence, la plus grande part de la physique des particules s'applique à la matière condensée ; en particulier, certaines excitations de champs appelée quasi-particules peuvent être créées et étudiées :

• Les phonons sont des modes vibratoires à l'intérieur d'une structure cristalline.
• Les excitons sont des états liés d'un électron et d'un trou.
• Les plasmons sont des excitations cohérentes d'un plasma.
• Les polaritons sont des mélanges de photons et d'autres quasi-particles.
• Les polarons sont des quasi-particules chargées et en déplacement, entourées d'ions dans un matériau.
• Les magnons sont des excitations cohérentes des spins d'électrons dans un matériau.

Autres

• Un goldstino est un fermion de Goldstone produit par la brisure spontannée de la supersymétrie

Catégorisation par vitesse

• Un bradyon (ou tardyon) se déplace moins vite que la lumière et possède une masse non-nulle.
• Un luxon se déplace à la vitesse de la lumière et possède une masse nulle.
• Un tachyon est une particule hypothétique qui se déplacerait plus vite que la vitesse de la lumière et possèderait de ce fait une masse imaginaire. L'existence de tachyons poserait de nombreux problèmes conceptuels : par exemple, il existerait des tachyons d'énergie nulle, qui pourraient être émis en paires au sein du vide.

Voir aussi

• Modèle standard (physique)
• Particule subatomique
• Particule élémentaire
• Particule composite
• Table des isotopes
• Tableau périodique des éléments

Références

• Portail de la physique