Au cours des 115 dernières années, les physiciens ont découvert que presque tout le matériel, y compris les pierres, la pluie, le soleil et le soleil, les vagues océaniques et les ondes radio, peut être décrit en termes de particules (et de leurs champs correspondants). Les expériences ont découvert une variété de types de particules qui nous semblent aujourd'hui élémentaires (c'est-à -dire qu'elles ne sont pas constituées de particules plus élémentaires). Toute la diversité complexe de notre monde familier consiste en un petit ensemble de telles particules. Les particules restantes sont éphémères, elles se désintègrent si rapidement que dans des conditions normales, nous ne les rencontrons pas. Mais ils peuvent garder les clés des secrets de l'univers qui nous restent inaccessibles.
Dans cet article, vous trouverez un petit aperçu de la compréhension actuelle des particules et de leur organisation en classes. Quelque chose comme un tableau périodique des particules avec quelques astuces. De plus, vous apprendrez ce que le champ de Higgs et son rôle critique dans la vie de l'univers font aux particules.
Notre compréhension actuelle, ainsi que les hypothèses les plus simples sur le fonctionnement de la particule et le champ de Higgs, se réduisent à un ensemble d'équations appelé "Modèle standard de physique des particules", ou simplement "Modèle standard". Les particules élémentaires du modèle standard ont historiquement des noms très étranges, ainsi qu'une grande dispersion de masse. Dans la fig. 1:
• J'ai dessiné des particules plus lourdes sur le dessus et des particules légères sur le fond. Selon ma logique, les particules sans masse sont le niveau minimum, et il n'y a pas de limite supérieure pour la masse de particules. Autrement dit, il y a un sol dur en dessous, et seulement un ciel au-dessus.
• Au lieu de masses, je cite des énergies de masse équivalentes (E = mc
2 ), qui sont couramment utilisées par les physiciens des particules. Il est plus facile de suivre l'énergie qui ne disparaît pas et qui n'apparaît pas que de suivre la masse de particules qui peuvent changer dans certains processus, par exemple,
pendant la désintégration . L'unité GeV est approximativement égale à l'énergie de masse de l'atome le plus léger, l'hydrogène.
• J'ai identifié trois classes de particules: les leptons chargés (disques bleus), les neutrinos (disques noirs) et les quarks (disques rouges). Les quarks sont généralement divisés en deux classes, supérieure et inférieure, ne différant que par la charge électrique. L'importance d'une telle classification apparaîtra plus tard.
• Dans les rectangles, j'ai indiqué trois interactions avec leurs particules porteuses. J'ai exclu la quatrième interaction, la gravité, pour ne pas obstruer l'image.
• Le champ de Higgs (ou quelque chose qui joue son rôle) dans la nature est en moyenne non nul. Je l'ai désigné à travers un fond vert.
Fig. 1
De quel type de particules s'agit-il? Tous ont des antiparticules, mais par souci de concision, je les omet. Passons rapidement en revue la structure de la matière, en la désassemblant jusqu'à atteindre le niveau souhaité.
• Les atomes, dont le rayon est environ un milliard de fois plus petit que votre tête, sont composés de leurs électrons et noyaux atomiques.
• Les atomes absorbent et émettent des particules de lumière, des photons. Cela se produit en raison de l'interaction électromagnétique portée par le photon (c'est-à -dire que lorsque l'électromagnétisme fonctionne, les photons sont toujours présents).
• Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, 100 000 plus petits que l'atome lui-même, et se composant principalement de quarks supérieurs et inférieurs (et d'antiquarks) et de gluons.
• Les protons et les neutrons ne se désagrègent pas et sont également retenus à l'intérieur du noyau en raison de la forte interaction portée par 8 types de gluons.
• Le soleil brille et certains noyaux atomiques se désintègrent en raison de la conversion de quarks d'un type en quarks d'un autre type. Dans ce cas, des électrons et des neutrinos sont émis, ces particules proviennent directement du centre du soleil.
• Cette transformation des quarks et l'émission de neutrinos est due à la faible interaction portée par les particules W
+ , W
- et Z
0 .
• La dernière interaction connue est la gravité, qui est censée porter un graviton. En raison de l'étonnante faiblesse de la gravité, cette particule est très difficile à détecter.
Presque tous les aspects de notre monde sont déterminés par ces particules. Mais il y en a d'autres. L'électron, le neutrino-1, le quark supérieur et le quark inférieur sont appelés une "génération" de particules - dans ce cas, la génération signifie à peu près la même chose que celle d'un arbre généalogique. Il existe deux générations plus lourdes, chacune ayant des copies pondérées de ces quatre particules.
• La deuxième génération est constituée d'un muon, d'un neutrino-2, d'un quark enchanté et d'un étrange quark.
• La troisième génération est constituée de tau, neutrino-3, t-quark et b-quark.
La structure des générations divise ces particules en couches horizontales. Ils peuvent également être divisés verticalement dans les classes que j'ai mentionnées: les gens parlent souvent de «particules de type électronique» ou de «leptons chargés», se référant à l'électron, au muon et au tau, parlent des «neutrinos» en général et divisent les quarks en «supérieurs». (supérieur, charmé, t) et "inférieur" (inférieur, étrange, b).
Vous vous demandez peut-être pourquoi les neutrinos ont des noms si ennuyeux par rapport à d'autres particules. Nous les avons appelés différemment, mais au cours des 20 dernières années, nous avons beaucoup appris à leur sujet et nous continuons à apprendre. Peut-être que lorsque la poussière retombera, nous leur donnerons de nouveaux noms.
Nous savons peu de choses sur la particule de Higgs, mais dans un proche avenir, nous en apprendrons davantage.
Jetons un coup d'œil aux différentes masses. Ils ont non seulement une large diffusion, mais n'ont pas non plus de système explicite. Voici quelques notes sur les masses, en commençant par les particules les plus légères:
• Le photon et le graviton n'ont probablement pas de masse - leur masse doit être étonnamment petite pour qu'il y ait des champs magnétiques intergalactiques observables et d'énormes structures de l'Univers.
• Les gluons n'ont pas de masse, pour autant que cela ait du sens - ils passent leur vie en captivité à l'intérieur de hadrons tels que les protons, et mesurer directement leur masse n'est pas facile.
• Les théoriciens se sont longtemps disputés sur la présence d'une masse de neutrinos. Les expériences de la dernière décennie ont résolu ce différend (bien qu'en raison du fait que les preuves obtenues soient indirectes, il y a encore une marge de manœuvre). Les masses de neutrinos sont très petites, la plus lourde d'entre elles est au moins un milliard de fois plus légère que l'atome le plus léger (l'hydrogène), et la masse du plus léger est encore plus petite.
• Des masses d'autres particules sont connues. Un électron est environ 1800 fois plus léger que l'hydrogène, un t-quark est environ 400 000 fois plus lourd qu'un électron, et seulement quelques pour cent plus léger qu'un atome d'or. La masse des particules W et Z est environ la moitié de la masse du t-quark.
• Toutes les particules ayant une masse importante l'ont en raison de l'interaction avec le champ de Higgs. Les neutrinos ne peuvent pas recevoir de masse directement, mais le champ de Higgs joue également un rôle important pour eux. J'ai noté ce fait à travers les cadres verts de différentes épaisseurs sur des disques indiquant des particules.
• L'énergie massique d'une particule de Higgs est de 125 GeV
Dans la fig. 2 J'ai groupé les particules et les interactions différemment.
Fig. 2
La figure montre quelles particules affectent directement lesquelles. J'ai tracé des lignes entre tous les types de particules qui interagissent directement entre elles. Ce qui est intéressant à noter:
• Rien de ce qu'on appelle souvent des particules de matière - des leptons chargés, des neutrinos ou des quarks - n'interagit les uns avec les autres.
• Les particules de matière n'interagissent directement qu'avec les particules qui transfèrent les interactions!
Cela explique pourquoi les transporteurs d'interaction sont appelés de cette façon. Lorsqu'un électron dans un atome interagit avec un quark supérieur dans un noyau atomique, il ne le fait pas directement. Un électron interagit directement avec un photon, un quark interagit avec un photon, et en conséquence (il est assez complexe et non intuitif), il s'avère que l'électron est attiré par le quark, et vice versa. De même, l'interaction entre deux quarks est indirecte, et provient de l'interaction directe des quarks avec les gluons. Toutes les interactions connues entre les particules de matière ne se produisent pas directement; les porteurs d'interactions y participent. Lorsque vous ouvrez la porte, les photons fonctionnent.
La figure indique également plusieurs propriétés importantes des interactions et des classes de particules:
• Toutes les particules d'une certaine classe obéissent à une interaction - c'est ce qui détermine leur appartenance à la classe. Les neutrinos ne ressentent qu'une faible interaction. Seuls les quarks et les gluons ressentent une forte interaction.
• Les lignes courbes montrent que certains des porteurs d'interaction interagissent directement avec eux-mêmes ou avec d'autres porteurs. Les gluons interagissent avec eux-mêmes, mais le photon n'interagit pas avec lui-même (du moins pas directement).
• Dans un sens, la particule de Higgs est également porteuse d'interaction. Mais c'est un cas particulier. Plus l'effet exercé par l'interaction de Higgs sur une particule est fort, plus la masse de cette particule est grande dans un champ de Higgs non nul. (Cette affirmation est vraie pour les particules connues, mais peut ne pas être vraie pour celles non encore découvertes). Je l'ai marqué avec le dégradé du champ vert, qui devient plus foncé en haut, ce qui signifie l'amplification de l'effet pour les particules lourdes. De même, une particule de Higgs interagit plus fortement avec des particules lourdes qu'avec des particules légères.
Ce monde a l'air terriblement étrange, mais que vous le vouliez ou non, c'est le nôtre. Vous pouvez voir des schémas à peu près marqués, mais il n'y a toujours pas d'organisation claire. La désorganisation d'une manière ou d'une autre est liée au champ (ou aux champs) de Higgs.