Vers l'infiniment petit
Toute matière, vivante ou non, est constituée de minuscules éléments : les atomes. En chimie, l'atome est l'élément de base, il constitue la matière et forme les molécules. Ce sont les philosophes de la Grèce ancienne (Vème siècle av.n.ère) qui introduisirent la notion selon laquelle l'Univers est constitué de particules indivisibles (le mot atome vient du grec atomos qui signifie "corpuscule indivisible"). Les philosophes grecs se plaisaient à imaginer ce qui résulterait de divisions successives de la matière. Leur conclusion était que l’on ne pourrait renouveler indéfiniment ces divisions et qu’il faudrait forcément aboutir à une forme de matière indivisible. On attribue à Démocrite la paternité du mot “atome” pour désigner cet élément matériel fondamental. Cette doctrine fut reprise et développée aux XVIème et XVIIème siècles par Giordano Bruno, Francis Bacon, Descartes, et Isaac Newton. Mais c'est au début du XIXème siècle qu'est née la théorie atomique, avec les travaux des chimistes Dalton, Lavoisier, Proust, Gay-Lussac et Avogadro. En 1869, Dimitri Mendeleïev établit une classification des éléments de base constituant toutes les matières, classification fondée sur la périodicité des propriétés chimiques et physiques en fonction du poids atomique de ces éléments (voir le tableau des éléments à la page "L'Univers : hasard organisteur ?")
Découverte des premières “particules élémentaires” Vers la fin du XIXe siècle, on découvrit que l'atome n'est pas un élément de matière indivisible, comme le croyaient les Anciens. En 1897, J. Thomson découvrit l’existence de l’électron. Il s’aperçut qu’un courant électrique consistait en un flux de ces particules. Les électrons sont si petits qu’en une seconde il en passe six milliards de milliards dans une ampoule électrique de 100 watts. En 1911, Ernest Rutherford démontra que la charge positive des atomes et la majeure partie de leur masse se concentraient dans une région 10 000 fois plus petite que l’atome. C’est ce qui donna lieu au modèle d’atome qui nous est familier : un petit noyau au centre, entouré de plusieurs orbites parcourues à des vitesses considérables par des électrons. Vers 1932, on découvrit que le noyau était constitué de protons et de neutrons. Ce sont les protons qui portent la charge positive de l’atome, charge égale mais de signe contraire à la charge négative des électrons. Le proton est 1 800 fois plus gros que l’électron. Le neutron, lui, ne porte pas de charge électrique. Sa masse est légèrement supérieure à celle du proton. La charge électrique d'un atome est neutre, car le nombre d'électrons (négatifs) du nuage électronique est égal au nombre de protons (positifs) constituant le noyau. Ainsi, leurs charges électriques s'annulent La plupart des objets qui nous sont familiers sont en réalité formés d’espaces vides. Les atomes et les molécules qui constituent les objets courants comme les briques, le bois, le verre, etc., comportent de grands vides bien que ces objets eux-mêmes semblent résistants et solides. Un atome est constitué d’un noyau très dense autour duquel tourne une nuée d’électrons. Suivant le genre d’atome, la nuée d’électrons a un rayon à peu près 10 000 fois plus grand que le noyau. Si le noyau avait la taille d’une balle de ping-pong, la nuée d’électrons s’étendrait sur un diamètre de 320 mètres. La majeure partie de cette superficie serait constituée par du vide. Presque toute la masse de l’atome est concentrée dans son noyau, qui n’en est pourtant qu’une très petite partie. Si les objets sont aussi légers, c’est grâce à l’espace vide que l’on doit aux nuées d’électrons dans les atomes. Si vous aviez une tasse uniquement constituée de noyaux débarrassés de leurs électrons, cette tasse pèserait environ 50 000 000 000 de tonnes !
Les atomes sont susceptibles de se charger électriquement, en gagnant (la charge de l'atome devient négative) ou en perdant (la charge de l'atome devient positive) un ou plusieurs électrons ; on parle alors d'ions. Les propriétés physiques et chimiques des atomes dépendent essentiellement du nombre de protons qui composent leur noyau. Aussi, les atomes sont-ils classés suivant ce nombre, appelé nombre atomique. Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. C'est ce numéro qui détermine la position d'un élément chimique dans le tableau périodique des éléments. Vers les années 40, les expérimentateurs et les théoriciens avaient levé le voile qui cachait d’autres particules élémentaires du noyau. La représentation du noyau que se faisaient les savants devenait plus complexe.
Vers l'infiniment petit et au-delà : les particules élémentaires L'univers est un gigantesque jeu de construction. Chaque objet est composé d'un assemblage de quelques blocs fondamentaux : les particules élémentaires. Vers 1960, on avait découvert tellement de particules que les savants se trouvaient un peu dans la même situation qu’un zoologue naufragé sur une île où foisonneraient des animaux jamais vus auparavant. Pour mettre un peu d’ordre dans la population des particules, les physiciens ont dû les classer en plusieurs groupes, en fonction de la ressemblance de leurs propriétés, tout comme notre zoologue classerait les animaux en mammifères, reptiles, etc. Il existe trois grandes catégories de particules élémentaires : les quarks, les leptons et les bosons de jauge. Toutes les particules connues sont composées de quarks et de leptons, et elles interagissent en échangeant des bosons de jauge. Ainsi, toute la matière de l'univers, des molécules d'eau aux galaxies en passant par les organismes vivants, est formée de quarks et de leptons. Mais ce n'est pas là toute l'histoire. Les quarks ont des propriétés bien différentes des leptons, et pour chaque sorte de particule, il existe une particule d'antimatière correspondante.
L'antimatièreLa première particule d'antimatière fut découverte en 1933. Il s'agissait d'un anti-électron produit par la rencontre entre des rayons cosmiques et l'atmosphère. Pour chaque type de particule, il y a une antiparticule. Les antiparticules sont en tout point identiques à leurs particules correspondantes excepté qu'elles ont une charge opposée. Par exemple, un proton est chargé positivement alors qu'un antiproton est chargé négativement. En combinant des antiprotons, des antineutrons et des anti-électrons, il est possible de créer des anti-atomes. D'ailleurs, les physiciens se sont déjà amusés à construire des atomes d'anti-hydrogène, plus récemment en quantités importantes (50,000 atomes) dans les laboratoires. Lorsqu'une particule de matière et une particule d'antimatière se rencontrent, elles s'annihilent complètement et se transforment en énergie. Les collisions entre particules et anti-particules produisent donc beaucoup d'énergie et sont couramment utilisées dans des expériences au sein des accélérateurs. L'antimatière a une durée de vie très courte dans notre environnement. À moins qu'elle soit isolée par des champs magnétiques, elle rencontre rapidement la matière ordinaire et s'annihile alors. . Les quarksEn 1960, M. Gell-Mann et G. Zweig suggérèrent l’existence d’une nouvelle particule, le quark. Les quarks sont les plus petits éléments de matière. Ils sont eux-mêmes classés en six familles : up (u), down (d), strange (s), charmed (c), top (t) et beauty (b). Seuls les quarks u, d et s existent dans la nature, les autres étant créés artificiellement dans les accélérateurs de particules. Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent en paquets de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Ces hadrons peuvent eux-mêmes être distingués en deux classes : lorsque les quarcks s'assemblent par groupes de trois, ils font parti de la classe des baryons. Lorsqu'ils s'assemblent en couples quark-antiquark, ils font parti de la classe des mésons. Le proton et le neutron, constituants fondamentaux du noyau de tout élément chimique, sont donc des hadrons qui appartiennent à la première famille des baryons : le proton est formé de deux quarks u et d'un quark d, tandis que le neutron est formé de deux quarks d et d'un quark u. En résumé, il y a deux classes de hadrons :
Les baryons sont formés de 3 quarcks. le proton et le neutron sont donc des baryons puisqu'ils sont constitués de 3 quarcks
Les mésons sont formés d'un quarck et d'un anti-quarck (l'anti-quarck est noté avec une barre au-dessus de la lettre qui le représente).
Les hadrons sont des particules lourdes. Les hadrons les plus lourds sont les baryons, qui comprennent les protons, les neutrons, etc. Les hadrons plus légers sont les mésons, qui comprennent les pions, les kaons, etc. Les hadrons, particules lourdes, ont entre elles des interactions fortes.
Les leptonsLes autres particules élémentaires formant la matière sont les leptons. Il y a aussi six sortes de leptons dont trois ont une charge négative et trois sont neutres. Mais, à la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. Les leptons, c’est-à-dire les électrons, les muons et les neutrinos, représentent les “insectes” de ce monde de particules. Ces insectes (particules légères), c’est-à-dire les leptons, sont quand à eux totalement indifférents à l'interaction forte qui agit entre les hadrons : que deux éléphants se battent, qu’est-ce que cela peut bien faire à une sauterelle? Mais les leptons chargés sont sensibles aux interactions électromagnétiques et leurs interactions avec les hadrons suivent les lois électromagnétiques, tout comme les deux animaux que nous avons pris pour exemple s’apercevront de la présence l’un de l’autre si le plus petit percute l’autre dans l’œil. Le lepton le plus connu est l'électron (qui est chargé négativement). Les deux autres leptons chargés sont le muon et le tau. Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos. Il y a une "saveur" de neutrino associée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique, un neutrino muonique et un neutrino taonique. Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ils n'interagissent presque pas avec la matière. Il faut construire des observatoires souterrains, loin de toute perturbation, pour pouvoir détecter quelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleil émet une énorme quantité de neutrinos. Des milliards de neutrinos solaires traversent votre corps à chaque seconde !
Les trois familles de particules élémentairesToutes les particules élémentaires que nous avons vues jusqu'à maintenant sont appelées fermions. Les chercheurs ont réalisé que les fermions élémentaires pouvaient être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks et un lepton chargé avec son neutrino. D'une famille à l'autre, les propriétés des particules sont identiques, à l'exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille. La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et son neutrino muonique. Les quarks top et bottom, le taon et le neutrino taonique forment la troisième famille. Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules.
Les bosons de jaugeMaintenant que vous savez de quoi la matière est composée, peut-être vous demandez-vous : « Comment tient-elle ensemble ? » La réponse résulte dans l'interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique (voir page sur l'Univers). Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange de bosons de jauge, l'autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des « particules de rayonnement ». Il y a 12 bosons de jauge dans le modèle standard : le photon, 8 gluons et 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence du graviton qui n'a pas encore été observé. Chaque boson de jauge est associé à une force :
Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.
Selon la théorie la plus largement acceptée, la cohésion des particules nucléaires est assurée par des forces de liaison engendrées par l'interaction entre les nucléons et les pions qu'elles contiennent. Les particules sont classées selon la nature des forces qui régissent leurs interactions. Toutes les particules subissent l'effet de la gravitation, qui toutefois est extrêmement faible à l'échelle subatomique. En 1963, les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig supposèrent que les hadrons étaient des combinaisons de plusieurs particules élémentaires appelées quarks, dont la cohésion est assurée par d’autres particules appelées gluons. Si l’existence des quarks n’est plus à démontrer aujourd’hui, celle des gluons (et de nombreuses autres particules) reste un défi pour les chercheurs
L'interaction entre quarks, appelée interaction forte, présente la caractéristique d'augmenter en intensité avec la distance (contrairement à l'interaction électrostatique) ; le gluon, messager de l'interaction forte entre quarks, agit comme un ressort. Si l'on essaie d'éloigner les quarks, le ressort se tend, exerçant une force qui s'oppose au déplacement. Ce mécanisme, défini comme le confinement des quarks, permet à ceux-ci de former les protons, les neutrons par exemple. Il est néanmoins possible de rompre un gluon en effectuant des collisions entre particules de hautes énergies dans les accélérateurs de particules. On parvient par exemple à arracher un quark à un proton ; il se forme instantanément un couple quark-antiquark aux extrémités libres du gluon brisé : à l'une des extrémités, le gluon recrée le quark préexistant ; à l'autre, il se crée un antiquark qui s'associe avec le quark arraché pour former un nouveau méson.
Le boson de HiggsLe modèle standard prédit l'existence d'une particule très spéciale : le boson de Higgs. À l'origine, la théorie du modèle standard considérait que toutes les particules élémentaires n'avaient aucune masse. C'était non conforme à la réalité. Les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de plusieurs particules avec de bonnes précisions. Seulement le photon, les gluons et le graviton seraient de masse nulle. Pour corriger le modèle, Peter Higgs proposa d'y ajouter une autre particule : un boson conférant les masses à toutes les autres particules. L'idée de base est que les particules acquièrent une masse en interagissant avec un champ omniprésent (le champ de Higgs) porté par ce fameux boson de Higgs. Ce mécanisme est maintenant considéré comme une partie essentielle du modèle standard et l'existence du boson de Higgs est capitale pour les théoriciens. D'ailleurs, le physicien Leon Lederman l'a surnommé « the God particule » (la particule Dieu). Il n'y a qu'un seul problème : le boson de Higgs n'a encore jamais été détecté. La détection du boson de Higgs est Le défi actuel de la physique des particules. Ses découvreurs mériteront à coup sûr le prix Nobel. Si aucun laboratoire n'y parvient d'ici 2007, le nouvel accélérateur du CERN à Genève, qui sera en fonction à cette date, devrait apporter une réponse définitive sur l'existence du boson de Higgs.
Les dimensions de l’univers sont véritablement stupéfiantes; l’ordre qui y règne l’est tout autant. De l’infiniment grand à l’infiniment petit, depuis les amas galactiques jusqu’aux atomes, l’univers tout entier dénote une organisation extraordinaire. Toutes les découvertes faites par les chercheurs montrent que des lois régissent cet univers, de l'infiniment grand jusqu'à l'infiniment petit.
Page suivante |
L'atome, constitué d'un noyau central (protons + neutrons) et d'une ou de plusieurs orbites parcourue(s) par un ou plusieurs électrons. Il est commode de représenter les électrons se déplaçant autour du noyau d'un atome comme s'il s'agissait de planètes gravitant autour du Soleil. Cette comparaison est toutefois par trop simplificatrice au regard des connaissances actuelles en physique. Les chercheurs savent maintenant qu'il est impossible de localiser avec précision un électron dans l'espace atomique sans perturber sa position (toute mesure a une influence importante sur le comportement de l'électron). C'est ainsi qu'ils attribuent à l'atome une forme de nuage, chaque position possible de l'électron par rapport au noyau étant assortie d'une probabilité de présence. La représentation du « nuage électronique » de l'atome a donc supplanté le modèle du Système solaire.
