Physique des particules: faits sur les particules élémentaires qui composent notre univers

La physique des particules est l'étude de l'univers à la plus petite échelle possible – les particules et les forces les plus élémentaires qui, lorsqu'elles sont combinées, composent tout. Vous – avec tous les autres êtres vivants, chaque grain de poussière et chaque étoile du ciel – êtes tous faits des mêmes particules fondamentales.

Vous pourriez considérer une particule comme un minuscule mouche de poussière ou un grain de sel. Cependant, lorsque les physiciens parlent de particules, ils signifient une petite chose adolescente qui est mieux décrite avec les mathématiques. Les particules ne se comportent pas de la même manière que les objets quotidiens. Et ils sont si petits que nous ne mesurons pas leur taille en termes de longueur ou de largeur, nous la mesurons en énergie. Nous ne sommes même pas sûrs Si les électrons ont une taille du tout – personne n'a pu le trouver.

Certaines particules sont extrêmement instables, ne durant que des fractions de seconde. Nous pouvons les créer et les étudier, même avec une vie si courte, à travers des instruments comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC)un accélérateur de particules géant qui fonctionne en écrasant des faisceaux de particules les uns dans les autres à presque la même vitesse se déplace dans le vide. Le LHC est enterré dans un tunnel de 17 miles (23 kilomètres) sous la France et la Suisse, où il utilise plus de 10 000 aimants puissants pour façonner les faisceaux en cercles et les diriger vers l'autre. Les collisions qui en résultent font de nouvelles particules intéressantes.

Le Modèle standard de physique des particules Décrit toutes les particules élémentaires connues et trois des quatre forces connues qui définissent comment elles interagissent entre elles: la force électromagnétique, les “interactions faibles” et les “interactions fortes”. Des interactions fortes sont ce qui maintient certaines particules élémentaires ensemble, comme les protons et les neutrons qui composent un centre d'atome. Les interactions faibles sont appelées «faibles» car elles fonctionnent sur des distances beaucoup plus petites que les interactions fortes – moins que le diamètre d'un seul proton.

Vous avez peut-être entendu dire que la lumière agit comme une onde et que les électrons agissent comme des particules. En physique, quand quelque chose agit comme une vague, il agit comme un lac – il a des ondulations qui montent et descendent régulièrement et c'est une grande chose. Lorsque les choses «agissent comme des particules», elles sont plus comme un tas de très petites rochers. Vous pouvez compter les rochers et savoir exactement combien il y en a. Pendant longtemps, les scientifiques ont pensé que les choses agissaient comme des vagues ou des particules, mais ce n'est pas vrai – un pairs à l'intérieur d'un atome et les choses agissent comme les deux. C'est ce qu'on appelle la dualité onde-particules, et le modèle standard a été développé en partie pour l'expliquer.

Comment quelque chose peut-il agir à la fois comme un objet unique et une vague? Les particules subatomiques sont mieux décrites avec des mathématiques floues. Nous ne savons pas exactement où un électron est – mais nous savons les chances que ce soit à un certain point dans une zone générale qui est entourée d'une frontière. Ces cotes sont décrites avec une équation appelée fonction d'onde. Lorsque nous mesurons le comportement qui ressemble à un objet séparé, nous nous concentrons sur la frontière. Lorsque nous mesurons le comportement qui ressemble à une vague, nous nous concentrons sur la probabilité.

En 2012, les scientifiques ont découvert le Particule de boson de Higgsqui est une particule extrêmement instable qui a donné de la masse à toutes les particules avec une masse juste après le Big Bang. La découverte était une validation importante du modèle standard, qui avait prédit l'existence de la particule.

Le modèle standard a cependant quelques trous. Le problème le plus évident est la gravité – les physiciens n'ont pas trouvé Un moyen d'incorporer la gravité dans le modèle standard. C'est toujours le meilleur outil que nous ayons pour décrire le comportement des particules subatomiques – c'est extrêmement précis, à l'exception de la gravité.

Les atomes sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Le nombre de protons, de neutrons et d'électrons détermine comment l'atome interagit avec d'autres atomes. Le table périodique est un guide des différents types d'atomes; Il est plein de modèles qui mappent comment chaque élément agit.

Le numéro atomique du tableau périodique vous indique combien de protons (particules avec une charge électrique positive) sont dans le matériau. Ils sont regroupés dans les neutrons de l'atome pour constituer le noyau. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, mais ils ont de la masse. Les protons et les neutrons constituent la majeure partie de la masse d'un atome.

Des électrons en orbite autour du noyau chargé positivement sont des électrons – de minuscules particules avec une charge négative. La charge de chaque électron a la même ampleur qu'un proton, défini comme une charge électrique élémentaire (1 e). Le nombre et la position des électrons sont affichés sur le tableau périodique par la ligne et la colonne de l'élément.

Les protons et les neutrons sont faits de particules élémentaires encore plus petites appelées quarks. Il y a six “saveurs” (types) de quarks: haut, bas, charme, étrange, haut et bas. Ils forment des groupes de trois pour composer des protons et des neutrons, maintenus ensemble par leur «charge de couleur». La charge de couleur n'a rien à voir avec les couleurs que nous voyons; C'est juste un terme pour identifier les interactions qui maintiennent les quarks ensemble. La charge de couleur est similaire à la charge électrique, mais au lieu d'avoir une charge positive ou négative, il y a trois “couleurs” qu'un quark pourrait avoir: rouge, vert ou bleu.

Il y a aussi des leptons. Ces particules élémentaires sont similaires aux quarks, mais contrairement aux quarks, les leptons n'ont pas de «fortes interactions». En d'autres termes, ils ne forment pas le même type d'obligations que les quarks font. Les électrons sont un type de Lepton, ainsi que des muons, des leptons tau et des neutrinos. Les muons et les leptons tau sont instables et se décomposent en électrons. Les neutrinos sont des leptons sans charge électrique.

Les quarks et les leptons sont des fermions – les particules élémentaires qui compensent la matière. Un autre groupe de particules, connus sous le nom de bosons, agit comme des «porteurs de force». Cela signifie qu'ils détiennent les forces qui permettent aux particules d'interagir les unes avec les autres. Les types de bosons comprennent des photons; Gluons, qui aident à lier les particules ensemble; Z bosons; W bosons; Et le mystérieux boson de Higgs, qui, de concert avec le champ de Higgs, prête les particules.

Satyendra Nath Bose (1er janvier 1894 – 4 février 1974) a été un pionnier de la mécanique quantique qui, avec Albert Einstein, a développé un nouveau type de statistiques qui décrit comment les bosons se comportent avec la dualité-pratique des vagues. Les bosons portent son nom.

Chien-shiung wu (31 mai 1912 – 16 février 1997) a travaillé sur le Projet de Manhattan Et des expériences de physique menées pour étudier la décroissance bêta, le processus des matières radioactives subissent pour devenir plus stables. Elle n'a pas été incluse dans le prix Nobel de physique de 1957 décerné à ses deux collègues masculins, malgré la première preuve expérimentale de la décomposition bêta.

Peter Higgs (29 mai 1929 – 8 avril 2024) était le physicien responsable de la partie du modèle standard de physique des particules qui explique comment les particules ont obtenu leur masse au début de l'univers. Le boson de Higgs porte son nom. Il a remporté le prix Nobel de physique 2013, qu'il a partagé avec François Englert.

Paul Dirac (8 août 1902 – 20 octobre 1984) a aidé à développer la théorie de mécanique quantique et a partagé le prix Nobel de physique de 1933 avec Erwin Schrödinger. Il a développé L'équation Diracqui décrit comment les fermions agissent à la fois comme des particules et des ondes. Il a également prédit l'existence de antimatièrequi est la matière avec la même masse et la charge électrique opposée que la matière ordinaire.

Marie Curie (7 novembre 1867 – 4 juillet 1934) a découvert la décomposition radioactive – le processus que certains éléments instables subissent pour se transformer en éléments plus stables. Elle a fait progresser notre compréhension des structures atomiques et a remporté deux prix Nobel – un en physique et un en chimie.

Richard Feynman (11 mai 1918 – 15 février 1988) a travaillé sur le projet de Manhattan et a développé les diagrammes Feynman – un moyen de décrire le comportement des particules subatomiques. Son travail a élargi notre compréhension de la mécanique quantique.