Modèle standard (physique des particules)

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Modèle standard des particules élémentaires avec les trois générations de fermions, les bosons de jauge (quatrième colonne) et le boson de Higgs (cinquième colonne).

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui concerne l' électromagnétisme, les interactions nucléaires faible et forte, et la classification de toutes les particules subatomiques connues. Elle a été développée pendant la deuxième moitié du XXe siècle, dans une initiative collaborative mondiale, sur les bases de la mécanique quantique. La formulation actuelle a été finalisée au milieu des années 1970 à la suite de la confirmation expérimentale des quarks. Depuis, les découvertes du quark top (1995), du neutrino tauique (2000) et du boson de Higgs (2012) ont donné encore plus de crédibilité au modèle standard. Toutes les particules du modèle standard ont désormais été observées expérimentalement. Par son succès à expliquer une large variété de résultats expérimentaux, le modèle standard est parfois vu comme une « théorie de presque tout ».

C'est une représentation qui s'applique à des objets quantiques et qui tente d'expliquer leurs interactions. Elle est bâtie sur le triptyque particule, force, médiateur, c'est-à-dire qu'elle distingue des familles de particules par les forces auxquelles elles sont sensibles, chaque force s'exerçant au moyen de médiateurs échangés par les particules qui y sont soumises. Ces médiateurs sont connus comme étant des bosons, alors que les particules constituant la matière sont appelés fermions (quarks et leptons).

Le modèle standard possède en 2016 19 paramètres libres pour décrire les masses des trois leptons, des six quarks, du boson de Higgs et 8 constantes pour décrire les différents couplages entre particules. La valeur de chacun de ces paramètres n'est pas fixée par des principes premiers, elle doit être déterminée expérimentalement.

Pour les théoriciens, le modèle standard est un paradigme de la théorie quantique des champs, qui met en œuvre un large spectre de phénomènes physiques. Il est utilisé pour bâtir de nouveaux modèles qui incluent des particules hypothétiques, des dimensions supplémentaires ou des supersymétries.

Histoire

L'idée que toute matière est composée de particules élémentaires remonte au moins au VIe siècle av. J.-C. [1]. Au XIXe siècle, John Dalton, au travers de ses travaux sur la stochiométrie, conclut que chaque élément de la nature était composé d'un seul et unique type de particule [2]. Le mot atome, d'après le mot grec ἄτομος, atomos (« indivisible »), renvoie à la plus petite particule d'un élément chimique depuis lors, mais les physiciens découvrirent bientôt que les atomes ne sont pas, en fait, les particules fondamentales de la nature, mais un conglomérat de plus petites particules, tels que les électrons. Les explorations du début du XXe siècle en physique nucléaire et en physique quantique culminèrent avec la découverte de la fission nucléaire en 1939 par Lise Meitner (fondée sur des expériences de Otto Hahn) et de la fusion nucléaire en 1932 par Mark Oliphant ; les deux découvertes ont aussi conduit au développements des armes nucléaires. Le développement des accélérateurs de particules après la Seconde Guerre mondiale, a permis, tout au long des années 1950 et 1960, de découvrir une grande variété de particules lors d'expériences de diffusion profondément inélastique. Il était alors question de « zoo de particules ». Ce terme est tombé en désuétude après la formulation du modèle standard durant les années 1970 dans lequel le grand nombre de particules a été expliqué comme des combinaisons d'un relativement faible nombre de particules.

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