Les particules élémentaires qui constituent l’atome

DANS le monde entier, une armée de détectives s’est lancée à la poursuite d’un fuyard insaisissable, passé maître dans l’art de se déguiser et de disparaître au dernier moment. On dispose néanmoins de nombreux indices: des traces révélatrices, un “modus operandi” parfaitement clair et même plusieurs photographies. L’équipe des poursuivants améliore régulièrement ses techniques de détection, mais le sujet semble n’en être que plus insaisissable, plus fuyant.

Non, ce n’est pas un gros bonnet que l’on recherche, c’est du menu fretin, à vrai dire c’est même ce qu’il y a de plus menu, puisque nos détectives sont des chercheurs atomistes et que l’objet de leurs recherches est la particule élémentaire, le matériau de base qui sert à édifier l’univers matériel.

Cette quête remonte au moins au IV^e siècle avant notre ère, du temps où les philosophes grecs se plaisaient à imaginer ce qui résulterait de divisions successives de la matière. Leur conclusion était que l’on ne pourrait renouveler indéfiniment ces divisions et qu’il faudrait forcément aboutir à une forme de matière indivisible. On attribue à Démocrite la paternité du mot “atome” pour désigner cet élément matériel fondamental. Mais, au cours du vingtième siècle, les efforts ont porté sur l’explication de la structure de cet atome.

Découverte des premières “particules élémentaires”

En 1897, J. Thomson découvrit l’existence de l’électron. Il s’aperçut qu’un courant électrique consistait en un flux de ces particules. Les électrons sont si petits qu’en une seconde il en passe six milliards de milliards dans une ampoule électrique de 100 watts. Tout en étant la moins insaisissable de toutes les particules élémentaires, l’électron se conduit comme un vagabond qui va facilement d’un endroit à un autre, même par simple friction. Quand on marche sur une moquette en synthétique, on en ramasse des milliards sur ses chaussures, et ceux-ci s’écoulent ensuite sur tout le corps pour se rejoindre et passer pêle-mêle dans l’air sous forme d’étincelle si l’on avance le doigt vers un interrupteur.

En 1911, Ernest Rutherford démontra que la charge positive des atomes et la majeure partie de leur masse se concentraient dans une région 10 000 fois plus petite que l’atome. C’est ce qui donna lieu au modèle d’atome qui nous est familier: un petit noyau au centre, entouré de plusieurs orbites parcourues à des vitesses considérables par des électrons, un peu comme des abeilles autour d’une ruche.

Vers 1932, on découvrit que le noyau était constitué de protons et de neutrons. Ce sont les protons qui portent la charge positive de l’atome égale mais de signe contraire à la charge négative des électrons. Le proton est 1 800 fois plus gros que l’électron. Le neutron ne porte pas de charge électrique. Sa masse est légèrement supérieure à celle du proton. Vers les années 40, les expérimentateurs et les théoriciens avaient levé le voile qui cachait d’autres particules élémentaires du noyau. La représentation du noyau que se faisaient les savants devenait plus complexe.

Les méthodes de détection

Les physiciens “voient” les particules en examinant le résultat de leur interaction avec la matière. On pourrait comparer cela aux traces laissées par un garnement qui dérange tout le quartier en courant dans les parterres de fleurs et en renversant les poubelles des gens. Au bout d’un moment, les preuves s’accumulent pour que les voisins reconnaissent l’identité du coupable. Une particule chargée qui se déplace hors de son “domicile”, l’atome, se comporte un peu comme ce garnement qui sème le désordre. Elle percute les autres atomes, en déloge les électrons et laisse derrière elle des atomes chargés électriquement.

Au début, on détectait les particules dans une chambre de Wilson. Les particules chargées laissaient des traces dans le détecteur à cause de la condensation de la vapeur sur les atomes dérangés le long de leur trajectoire, un peu comme les traces que laisse derrière lui un avion à réaction qui vole dans le ciel. Aujourd’hui, on préfère se servir de chambres à bulles dans lesquelles un liquide à la limite de l’ébullition permet de visualiser la trajectoire d’une particule par une traînée de bulles.

Les rois de l’évasion

Les particules se déplacent à des vitesses considérables. Le photon partage avec le neutrino et le graviton le record absolu de vitesse. Comme ces trois particules n’ont pas de masse, elles se déplacent à la vitesse de la lumière (300 000 km/s), ce qui leur permettrait par exemple d’effectuer plus de sept fois le tour de la terre en une seconde.

Les particules matérielles, c’est-à-dire celles qui ont une masse, n’atteignent pas la vitesse de la lumière, même si elles s’en rapprochent. En tournant autour d’un noyau, un électron atteint tout au plus le dixième de la vitesse de la lumière, soit le rapport qui sépare une voiture sur une autoroute d’un avion supersonique.

Les rois du camouflage

La durée d’existence d’une particule s’appelle sa vie. Les électrons et les protons sont stables, ce qui revient à dire que leur vie est éternelle. Mais beaucoup de particules ne “vivent” que très peu de temps. Par exemple le muon, produit par l’interaction des rayons cosmiques et de la haute atmosphère, a une vie moyenne de deux millionièmes de seconde. Quand il “meurt”, un électron et deux neutrinos apparaissent soudain à sa place. On pourrait comparer cela à un bandit qui, après avoir fait quelques pas hors de la banque, se changerait subrepticement en trois personnes qui s’enfuiraient dans trois directions différentes.

Cette brusque modification d’identité n’a pas posé de minces problèmes aux savants qui se consacraient à l’étude des particules à vie courte. Quelques millionièmes de seconde après sa formation, une telle particule peut se désintégrer en deux ou plusieurs autres particules plus petites, et qui peuvent à leur tout donner d’autres particules différentes et encore plus petites. Le processus se poursuit jusqu’à l’obtention de particules stables. Quand une particule change d’identité, on dit qu’elle se “désintègre”. Mais pourquoi les protons et les électrons sont-​ils les seules particules dotées d’une masse qui ne se désintègrent pas? L’explication en est donnée par les lois de conservation.

Les lois de conservation

Pour rester simple, disons que les lois de conservation veulent que, dans un système isolé, toute quantité mesurée avant un événement donne le même chiffre après.

On pourrait illustrer ceci par une image: représentons-​nous une salle de tennis composée de quatre courts et entourée d’un haut grillage qui empêche les balles de sortir. À mesure que les joueurs arrivent, chacun reçoit dix balles identiques. On leur dit qu’ils n’ont pas à s’occuper des balles avec lesquelles ils servent. Pendant que se déroulent plusieurs parties simultanées, les balles risquent de voler dans les courts voisins où elles seront utilisées. Certaines balles risquent même de passer entre les mains de tous les joueurs. Mais, quand toutes les parties sont terminées, on ramasse les balles et l’on s’attend à retrouver le même nombre de balles que celui qui a été remis. Si l’on en a moins, on en déduit que certaines sont passées pardessus le grillage, restées sur les courts ou bien ont été emmenées par les joueurs. Il n’y a aucune autre explication logique. Les balles de tennis ne disparaissent pas comme cela. On peut dire dans leur cas qu’il y a une loi de “conservation des balles de tennis”.

Ce sont les lois de conservation qui régissent le monde physique. Aucun événement ne peut survenir en violant ces lois. Dans le monde des particules élémentaires, tous les citoyens respectent les lois.

L’électron est stable du fait qu’il conserve sa masse et sa charge électrique. C’est la plus légère des particules chargées. Il existe des particules plus légères que l’électron, mais toutes sont électriquement neutres. Si l’électron devait se désintégrer en l’une de ces particules plus légères, il faudrait également qu’il perde sa charge électrique, mais ce n’est pas possible parce que cela entrerait en contradiction avec la loi de conservation de la charge. Il ne peut pas non plus se désintégrer en particules chargées plus lourdes, puisque cela violerait la loi de conservation de la masse, de même qu’il est impossible en coupant en rondelles un pain d’une livre d’obtenir des rondelles qui en pèseraient deux. Si l’électron ne se désintègre pas, c’est donc tout simplement parce qu’il “n’a nulle part où aller”.

Par contre, si le proton est stable, c’est parce qu’il ne pourrait se désintégrer qu’au prix de la transgression d’une autre loi de conservation. Quant au neutron, il est stable aussi longtemps qu’il reste accolé à un proton. Si l’on met un neutron “à l’isolement”, il se désintègre en 15 minutes.

Dans son livre Le monde des particules élémentaires (angl.), K. Ford souligne en ces termes l’importance des lois de conservation: “Ce qui est ‘normal’ pour une particule, c’est de subir une désintégration et de se transmuter en d’autres particules plus légères. Pour des raisons que l’on ne comprend pas pleinement, il y a deux particules ‘anormales’, le proton et l’électron, qui ne peuvent se désintégrer. Si l’on adopte cette conception plus large des particules, il existe des règles de la nature, les lois de conservation, qui se trouvent empêcher la désintégration de ces deux dernières particules. C’est une chance, puisque grâce à cela la construction du monde matériel est rendue possible.

“Évidemment, puisqu’il n’existe qu’un seul univers et un seul code de lois de la nature, il n’est guère sensé de dire qu’un état quelconque est une chance. Mais cette optique de la multiplicité des particules ne fait que poursuivre le processus inauguré par Copernic et qui conduit l’homme à se sentir de plus en plus humble face à la structure de la nature. Notre univers et nous-​mêmes n’existons que par les lois de conservation qui rendent stables quelques particules et permettent à une structure ordonnée de se superposer au chaos qui règne dans le monde submicroscopique.”

Les lois de conservation avaient prédit le “neutrino”

Des expériences réalisées antérieurement dans la physique des particules permettaient de penser que le neutron se désintégrait d’une façon qui violait les lois de conservation. Les chercheurs avaient en effet remarqué que lorsqu’un neutron se désintègre en un proton et un électron, le calcul du moment et de l’énergie observés après la désintégration montre un chiffre bien inférieur à ce qu’il était avant. Comme il s’agit de systèmes isolés, ce cas semblait violer les lois de conservation de l’énergie, conclusion à laquelle les spécialistes de physique nucléaire ne pouvaient souscrire.

Pour tenir compte de ces lois, les théoriciens ont donc supposé l’existence du neutrino, qu’ils dotèrent des propriétés nécessaires pour en faire une particule indivisible qui apparaît dans la désintégration du neutron. On ne pouvait pas le “voir”, mais les savants supposèrent son existence sur la base des lois de conservation dans lesquelles ils avaient appris à placer leur confiance.

Or, près de 25 ans après avoir admis l’existence du neutrino uniquement parce qu’ils avaient confiance dans une loi, les savants le capturèrent en 1956. Il faut dire qu’il avait de quoi être insaisissable: sa charge est nulle, sa masse apparente aussi, et il se propage à la vitesse de la lumière. Les neutrinos entrent si rarement en interaction avec la matière que la plupart d’entre eux traversent la terre aussi aisément qu’une balle de revolver transperce du papier de soie. Dans un essai pour vérifier l’existence du neutrino, les expérimentateurs ont envoyé une quantité évaluée à cent mille milliards de neutrino à travers une plaque de métal de 13 mètres d’épaisseur. Malgré tout cela, la chambre de détection ne réussit à en compter que 29. C’est un peu comme si toute la population de la terre était passée dans une petite pièce où se trouverait une balance pèse-personne et que celle-ci n’afficherait en tout et pour tout que 100 grammes.

Classification des particules

Vers 1960, on avait découvert tellement de particules que les savants se trouvaient un peu dans la même situation qu’un zoologue naufragé sur une île où foisonneraient des animaux jamais vus auparavant. Pour mettre un peu d’ordre dans la population des particules, les physiciens ont dû les classer en plusieurs groupes, en fonction de la ressemblance de leurs propriétés, tout comme notre zoologue classerait les animaux en mammifères, reptiles, etc.

Les particules lourdes portent le nom de hadrons. Les hadrons les plus lourds sont les baryons, qui comprennent les protons, les neutrons, etc. Ce sont les “éléphants” du zoo des particules élémentaires. Les hadrons plus légers sont les mésons, qui comprennent les pions, les kaons, etc. Dans notre comparaison, ils auraient la taille du tigre. Enfin, les leptons, c’est-à-dire les électrons, les muons et les neutrinos, représentent les “insectes” de ce monde de particules.

Le système de classification actuel n’est pas basé sur la taille et le poids des particules, mais sur leur propension à entrer en interaction avec d’autres. Les interactions des éléphants entre eux diffèrent de celles qu’ils ont avec les insectes. À vrai dire, les insectes et les éléphants peuvent ignorer la présence les uns des autres, sauf si un éléphant mange une feuille qu’un insecte a commencé à grignoter. Les particules éléphantesques, les hadrons, ont entre elles des interactions fortes. Les insectes, c’est-à-dire les leptons, sont totalement indifférents à cette interaction forte: que deux éléphants se battent, qu’est-​ce que cela peut bien faire à une sauterelle? Mais les leptons chargés sont sensibles aux interactions électromagnétiques et leurs interactions avec les hadrons suivent les lois électromagnétiques, tout comme les deux animaux que nous avons pris pour exemple s’apercevront de la présence l’un de l’autre si le plus petit percute l’autre dans l’œil.

Existe-​t-​il des particules encore plus élémentaires?

Depuis que l’homme s’est mis à l’étude et au démontage de l’atome, il a découvert environ 300 particules, qui sont pour la plupart des hadrons. Il semble que les leptons soient vraiment “élémentaires”, c’est-à-dire qu’ils ne possèdent pas une taille discernable et ne semblent pas avoir de structure interne. De plus, on n’en connaît que six, nombre suffisamment petit pour évoquer une idée de simplicité, ce qui n’est pas le cas des hadrons, dont la taille est mesurable et qui se chiffrent par centaines. Quand un hadron se désintègre, il donne d’autres hadrons.

En 1960, M. Gell-Mann et G. Zweig suggérèrent l’existence d’une nouvelle particule, le quark. Leur modèle théorique était que tous les hadrons sont constitués de deux ou trois quarks dotés d’une nature différente. En attribuant certaines propriétés aux quarks de leur théorie, Gell-Mann et Zweig purent rendre compte des propriétés de toutes les particules nucléaires connues et montrer que les hadrons se composaient de trois quarks différents qu’ils nommèrent respectivement u, d et s (pour “up”, en haut, “down”, en bas, et “strange”, étrange). On peut mettre au crédit de cette théorie la prédiction de l’existence d’une particule qui n’avait pas encore été découverte et qui a pu être produite par la suite avec les propriétés que l’on attendait d’elle, ce qui ne contribua pas peu à faire accepter la théorie. Des expériences plus récentes permettent à présent de penser qu’il existe d’autres variétés de quarks que l’on a affublés, par convention de langage, des appellations de “charme”, “beauté” et “vérité”.

Pour tous les spécialistes de la physique des particules, les quarks ont fourni un modèle théorique fécond. Comme dans le cas du neutrino, les savants croient en eux sans les voir, parce qu’ils permettent de prédire dans certaines conditions le comportement de particules connues de l’atome.

Les quarks qui entrent dans la théorie actuelle permettront-​ils de rendre compte des nouvelles particules qui restent à identifier? Va-​t-​on découvrir d’autres quarks? Sont-​ils le fin du fin des “particules élémentaires” du noyau de l’atome? Sinon, de quoi se composent-​ils?

Peut-être cette dernière question n’aura-​t-​elle jamais de réponse. Chaque fois que l’on fait un pas en avant dans le sens d’une meilleure connaissance de la matière, les “particules élémentaires” semblent se réduire à un constituant encore plus simple. (On parle à présent du “gluon”.) Ces recherches toucheront-​elles un jour à leur fin? Il se peut que notre curiosité ne soit jamais totalement satisfaite. Pour certains cette perspective est plus enthousiasmante que décourageante. Ils se font l’écho du sentiment qu’éprouvait l’apôtre Paul lorsqu’il s’exclama: “Ô profondeur de la richesse et de la sagesse et de la connaissance de Dieu! Que ses jugements sont inscrutables et introuvables ses voies!” — Rom. 11:33.