Les fermions élémentaires
Qu'est-ce qu'un fermion élémentaire ?
Qu'est-ce qu'un lepton ?
Qu'est-ce qu'un quark ?
La matière ordinaire
Les trois familles de fermions
Peut-on observer des quarks libres ?
Existe-t-il une matière exotique ?
Quelle est la masse des neutrinos ?
Pour en savoir plus...
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Qu'est-ce qu'un fermion élémentaire ?

Un fermion élémentaire est une particule qui forme la matière, comme par exemple les électrons ou les quarks.

Dans "fermion élémentaire", il y a d'abord fermion... Un fermion est une particule de spin demi-entier, en pratique tous les fermions élémentaires ont un spin 1/2 (le spin est une propriété quantique de la matière assez étrange). Les fermions ont la propriété suivante : si on prend une boite et qu'on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à l'infini (alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boite pour des bosons, qui sont les particules de spin entier).

Dans "fermion élémentaire", il y a aussi élémentaire... Une particule élémentaire est une particule qui ne contient aucune sous-structure : elle ne peut pas être divisée. Expérimentalement, la taille d'un fermion élémentaire n'a jamais pu être mesurée, en tout cas elle doit être inférieure à 10-18m soit inférieure à un millionième de milliardième de millimètre ! Théoriquement, un fermion élémentaire est une particule ponctuelle, c'est à dire une particule sans volume donc sans taille.

Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons (comme l'électron ou le neutrino) et les quarks.


Qu'est-ce qu'un lepton ?

Un lepton est un fermion élémentaire qui n'est pas sensible à l'interaction forte, il n'est donc sensible qu'à l'interaction faible et éventuellement l'interaction électromagnétique.

Les deux leptons les plus connus sont l'électron et le neutrino.

Comme le neutrino est électriquement neutre, il n'est sensible qu'à l'interaction faible. Ainsi, les neutrinos interagissent extrèmement peu avec la matière, ils sont donc très difficiles à détecter. Ainsi, les neutrinos peuvent facilement traverser la Terre sans subir le moindre choc.

Vous êtes traversé par environ 400 000 milliards de neutrinos par seconde (qui viennent presque tous du soleil), sans que cela ait le moindre effet sur vous (heureusement) !


Qu'est-ce qu'un quark ?

Un quark est un fermion élémentaire qui est sensible à toutes les interactions : l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et aussi l'interaction forte.

Les quarks sont les constituants des nucléons, qui constituent le noyau atomique.


La matière ordinaire

La matière ordinaire, c'est à dire celle qu'on trouve sur Terre et qui constitue la majorité de la matière visible de l'univers est formée de seulement quatre fermions élémentaires différents :

Fermions de la matière ordinaire
Le nombre en haut à gauche est la charge électrique, par définition le proton a une charge +1. Le nombre du milieu est la masse exprimée en électron-volt, les masses des quarks sont mal connues, la masse du neutrino n'a pas encore pu être mesurée.

L'électron a été découvert en 1897 par J. J. Thomson. Les quarks ne furent mis en évidence expérimentalement qu'en 1975 après avoir été imaginés par Björken et Feynman dans les années 1967-70 pour expliquer les propriétés des protons, neutrons et autres particules contenant des quarks.

Bien que la radio-activité ait été découverte en 1898, le neutrino est resté longtemps inconnu, en raison de sa très faible interaction avec la matière qui le rend très difficilement détectable. Néanmoins, il est rapidement apparu (vers 1925) qu'une autre particule que l'électron devait être présente dans la désintégration beta. Ainsi, en 1930, W. Pauli fit l'hypothèse de l'existence du neutrino. Puis, en 1933, E. Fermi baptisa le neutrino (="petit neutre") et élabora une première théorie de l'interaction faible. Finalement, il fallut attendre 1956 pour que F. Reines et C. Cowan observent pour la première fois des neutrinos, en se plaçant à proximité d'une des premières centrales nucléaires, source intense de neutrinos.

Pour chacune de ces particules existe aussi une anti-particule : anti-quarks, anti-électron, anti-neutrino.


Les trois familles de fermions

En 1937, une nouvelle particule fut découverte dans les rayons cosmiques : elle possède les mêmes propriétés que l'électron, sauf sa masse qui est environ 200 fois supérieure. Cette nouvelle particule fut appelée le muon.

A partir de 1947, toujours dans les rayonnements cosmiques, de nombreuses nouvelles particules, des hadrons, furent découvertes, paraissant étranges. C'est pour interpréter ces nouvelles particules, ainsi que les particules déjà connues, que le concept de quarks fut élaboré, avec seulement au début trois quarks : le up, le down et le quark s (pour strange), quark contenu dans ces nouvelles particules. Ce quark s possède les mêmes propriétés que le quark d, sauf sa masse plus élevée.

En 1962, une expérience montra qu'il existe un autre neutrino, le neutrino muonique, compagnon du muon comme le neutrino électronique est compagnon de l'électron dans la désintégration beta.

Ainsi, il apparut que, en plus de la matière ordinaire (les quarks u et d, l'électron et le neutrino électronique), existaient d'autres particules semblables aux premières mais seulement plus lourdes. Ces nouvelles particules peuvent se ranger dans une deuxième famille, la première famille regroupant la matière ordinaire. Mais, pour compléter la deuxième famille, il manquait un quark, le compagnon du s, et il fut donc introduit dans la théorie par Glashow, Iliopoulos et Maiani en 1970 sous le nom de charme. La découverte de ce quark en 1974 confirma la théorie, et permit de compléter la deuxième famille de leptons.

Les trois familles de fermions
Le nombre en haut à gauche est la charge électrique, par définition le proton a une charge +1. Le nombre du milieu est la masse exprimée en électron-volt, les masses des neutrinos n'ont pas encore pu être mesurées.

Peu après la découverte du quark c, un nouveau lepton fut découvert, encore plus massif que le muon mais possédant les mêmes propriétés, il fut appelé le tau. Ce nouveau lepton semblait donc montrer l'existence d'une troisième famille de fermions.

Ainsi, afin de compléter la troisième famille et pour expliquer un phénomène nouveau (la violation de la symétrie CP), une troisième famille de quarks, les quarks b et t, furent introduits dans la théorie. Le quark b fut ensuite découvert en 1977 et le quark t plus récemment en 1994.

Finalement, pour que la troisième famille soit complète, le neutrino tau dont l'existence a longtemps été prédite a été observé de manière directe en 2001.

Il existe ainsi trois familles de fermions élémentaires dont les propriétés sont identiques, la seule différence entre ces familles étant la masse. Cette structure est pour l'instant totalement inexpliquée. La première famille constitue la matière ordinaire, les autres familles ne sont présentes que dans les rayons cosmiques et lors de collisions dans des accélérateurs de particules.

Pour chacune de ces particules existe aussi une anti-particule : anti-quarks, anti-électron, anti-muon, anti-tau, anti-neutrinos.


Peut-on observer des quarks libres ?

La théorie de l'interaction forte (QCD) montre que les quarks ne peuvent jamais être libres : il n'est donc pas possible d'observer un quark seul. Les quarks sont donc toujours confinés à l'intérieur de particules composites appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des exemples de hadrons.

On distingue deux catégories de hadrons :
Baryon
Méson


Existe-t-il une matière exotique ?

Les fermions élémentaires de la première famille forment la matière ordinaire. De même, existe-t-il une matière ``exotique'' formée de fermions des deux autres familles ? La réponse est non dans le sens où il n'existe pas d'atomes stables formés de fermions des deuxième ou troisième familles. Néanmoins, de nombreuses particules ``exotiques'' sont présentes dans notre environnement mais elles se désintègrent en particules ordinaires très rapidement.

En ce qui concerne les leptons, les plus abondants sont les neutrinos, mais ils sont très difficiles à observer. Ensuite, viennent les muons: provenant des interactions du rayonnement cosmique avec l'atmosphère, plusieurs centaines de muons vous traversent chaque seconde ! C'est d'ailleurs de cette façon que les muons ont été découverts en 1937.

En ce qui concerne les quarks, puisqu'ils ne peuvent pas être libres, ils forment des hadrons ``exotiques''. Il existe une grande quantité de ces hadrons mais ils ne sont présents que dans les particules issues du rayonnement cosmique (surtout en altitude), ou créés par les accélérateurs de particules.


Quelle est la masse des neutrinos ?

La masse des neutrinos est théoriquement nulle, mais il n'existe aucun argument pour que ces masses soient réellement nulles. Pour l'instant, les masses des neutrinos n'ont pas été mesurées et seulement des limites supérieures sur ces masses existent. Ce qui est sûr, c'est que ces masses sont très faibles par rapport aux leptons associés. Par exemple, le neutrino électronique a une masse au moins 170 000 fois plus faible que celle de l'électron.

En 1998, au Japon, l'expérience Super-Kamiokande a annoncé avoir mis en évidence une masse non-nulle pour un neutrino. Cette masse est très faible mais est différente de zéro. Il faudra attendre d'autres résultats pour en savoir plus sur la masse des neutrinos...


Pour en savoir plus...

Si vous voulez en savoir plus sur la zoologie des particules (en particulier sur les nombreux hadrons ``exotiques''), vous pouvez consulter le site suivant:

Si vous voulez en savoir plus sur les neutrinos, vous pouvez consulter le site suivant:

Si vous voulez en savoir plus sur le rayonnement cosmique et sur un moyen de l'observer, vous pouvez consulter le site suivant:



© David Calvet

Dernière modification : 28 novembre 2002.