Types de particules élémentaires
En physique, les particules élémentaires se classent en trois grandes familles : hadrons, leptons et médiateurs de force.
Remarque. Les leptons et les médiateurs de force sont considérés comme des particules fondamentales, car, contrairement aux hadrons, ils ne sont pas constitués de sous-éléments plus petits.
Hadrons
Les hadrons figurent parmi les particules subatomiques les plus massives et les plus complexes. Les exemples les plus connus sont le proton et le neutron.
Ces particules interagissent par la force nucléaire forte, qui assure la cohésion des quarks au sein des noyaux atomiques.
Les hadrons ne sont pas des particules fondamentales : ce sont des particules composées, constituées de quarks. Selon les cas, ils peuvent être formés de deux ou de trois quarks.
Chaque hadron possède aussi une antiparticule correspondante, de même masse mais de charge, ou plus largement de nombres quantiques, opposés.
On distingue deux grandes sous-catégories de hadrons : les mésons et les baryons.
A] Mésons
Le terme « méson » faisait initialement référence à leur masse intermédiaire : plus légère que celle d’un proton mais plus lourde que celle d’un électron.
Les mésons sont constitués de deux quarks : un quark et un antiquark. Ce sont les membres les plus légers de la famille des hadrons.
Remarque. Le quark et l’antiquark d’un méson n’ont pas nécessairement la même saveur : par exemple, un méson peut associer un quark up et un antiquark strange. Pour être neutre en couleur, le couple doit avoir des charges de couleur opposées, telles que vert et antivert, ou rouge et antirouge.
Les principaux mésons comprennent :
- Pions
- Kaons
- Etas
B] Baryons
Les baryons sont les hadrons les plus lourds. Ils regroupent les nucléons - protons et neutrons - ainsi que d’autres particules encore plus massives.
Tous les baryons sont constitués de trois quarks, liés par l’interaction forte.
Parmi les particules classées comme baryons, on compte :
- Proton
- Neutron
- Lambda
- Sigma
- Xi
Leptons
Les leptons sont beaucoup plus légers que les hadrons et incluent certaines des particules les plus fondamentales de la nature. Ils participent aux interactions faible et électromagnétique.
Les leptons sont des particules fondamentales : ils ne possèdent pas de structure interne et ne sont pas composés de quarks. D’après les observations expérimentales actuelles, ils sont véritablement indivisibles.
Chaque lepton possède une antiparticule correspondante, qui appartient à la famille de l’antimatière.
La famille des leptons comprend les particules élémentaires suivantes :
- Électron
- Neutrino
- Muon
- Tau
Médiateurs de force
Ces particules, beaucoup plus légères que les hadrons et les leptons, jouent un rôle totalement différent dans la physique des particules.
Les médiateurs de force - également appelés bosons de jauge ou bosons intermédiaires - sont responsables de la transmission des forces fondamentales de la nature.
Remarque. Selon la théorie quantique des champs, chacune des quatre interactions fondamentales - forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle - est transmise par l’échange d’un type spécifique de particule médiatrice.
Le gluon, par exemple, est le médiateur de l’interaction forte qui maintient les quarks liés à l’intérieur des hadrons.
Les bosons W et Z, quant à eux, assurent l’interaction faible, qui permet par exemple à un neutron de se transformer en proton par désintégration bêta, avec émission d’un électron et d’un antineutrino, ou inversement.
Les médiateurs de force sont également des particules fondamentales, car ils sont indivisibles et non constitués de quarks. Contrairement à d’autres particules, ils n’ont pas d’antiparticules associées.
Les quatre forces fondamentales et leurs médiateurs
Les médiateurs associés aux quatre interactions fondamentales sont :
- Photon - médiateur de l’interaction électromagnétique
- Gluon - médiateur de l’interaction nucléaire forte
- Bosons W et Z - médiateurs de l’interaction nucléaire faible
- Graviton - médiateur hypothétique de l’interaction gravitationnelle
