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Quarks et leptons



Les constituants fondamentaux de la matière

A l'échelle la plus élémentaire, le monde qui nous entoure est constitué de quatre corpuscules. Les deux premiers sont appelés quarks up et down. Cachés dans les noyaux des atomes, ils ne nous sont pas familiers. Le troisième est l'électron, découvert il y a plus de 100 ans. Le quatrième corpuscule fondamental est le neutrino, un électron qui aurait perdu sa charge électrique. Bien qu'omniprésent dans la nature, le neutrino est très difficile à observer. Electrons et neutrinos sont des leptons.

Quarks et leptons
La matière nucléaire est constituée de particules appelées quarks, appartenant à deux espèces appelées par les physiciens "up" et "down". Un troisième corpuscule élémentaires est l'électron présent autour des atomes. Un quatrième est le neutrino-électron, que l'on peut considérer comme un électron neutre très difficile à observer. Ils sont représentés ici sous la forme d'une toupie. Au centre, les valeurs de leur charge électrique rapportée à la charge e élémentaire d'un proton,
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Ces quatre corpuscules sont à ce jour, considérés comme élémentaires, sans structure, ponctuels. Par exemple, les tentatives de mesure de la taille d'un électron aboutissent à un rayon qui serait inférieur au dix millième de celui d'un proton. Malgré cette taille infime, quarks, électrons et neutrinos possèdent deux états de rotation ou spin. Pour le rappeler, les quatre corpuscules ont été symbolisés sur la figure par de petites toupies.

L'électron a été le premier de ces corpuscules à être découvert par J-J Thomson en 1896. Le neutrino a été proposé comme hypothèse, par le physicien suisse Wolfgang Pauli, en 1930 mais il a fallu attendre 1956 pour que l'expérience de Reines et Cowan démontre son existence. L'existence des quarks, proposée par le physicien américain Murray Gell-Mann s'imposa dans les années 1970 à travers de multiples expériences, en particulier à travers la découverte de nouvelles espèces de quarks à très brève durée de vie, absentes de notre environnement habituel.

Quarks et leptons diffèrent par leur manière d'interagir. Trois forces ou interactions fondamentales sont présentes dans le domaine des corpuscules élémentaires : Les interactions fortes responsables des forces nucléaires dans le noyau, les interactions électromagnétiques qui font tourner par exemple les électrons autour du noyau et les interactions faibles qui se manifestent à travers la radioactivité bêta.

Les quarks interagissent par l'intermédiaire de ces trois forces. Ils sont confinés dans les protons et neutrons et plus généralement dans les noyaux par l'attraction très intense résultant des interactions fortes. De ce fait, on a pas observé à ce jour de quarks libres. Si on essaye d'éjecter un quark lors d'une collision violente, il se recombine aussitôt avec d'autres quarks ou antiquarks produits dans la collision. Par exemple, faute d'avoir pu les observer à l'état libre, on n'a pu mesurer la masse des quarks up et down. Selon les théoriciens, elle serait faible, de l'ordre de quelques masses d'électrons.

L'électron quand à lui est insensible aux interactions fortes et ne ressent pas l'attraction nucléaire. De ce fait, il va dans le grand monde. Par sa charge électrique, il orbite autour des noyaux, émet et absorbe des ondes lumineuses et autres. Il transporte des courants électriques quand on lui demande.

Le neutrino quant à lui est insensible aux interactions fortes et électromagnétiques. Il ne dispose pour se manifester que des interactions faibles. Il interagit si faiblement, que la plupart des neutrinos produits dans le soleil peuvent traverser la terre sans encombre.

Les corpuscules possédant deux états de rotation interne (spin), comme les quarks et les leptons, sont appelés fermions, du nom du grand physicien italien Enrico Fermi qui en fit une première théorie vers 1930. Les fermions sont soumis au principe d'exclusion, formulé par Wolfgang Pauli en 1925. Ce principe joue un très grand rôle. Par exemple, il interdit à deux électrons tournant dans le même sens de se trouver en quelque sorte au même endroit. Sans lui, les électrons d'un atome pourraient s'écraser sur son noyau, au lieu tourner à distance et d'occuper un grand volume à l'échelle élémentaire. Il n'y aurait ni atomes, ni molécules !