La notion de « particules élémentaires » s’est introduite dans la recherche de la structure de la matière, systématiquement entreprise à une échelle de plus en plus petite.
Introduction
Si la physique des particules élémentaires a débuté par la découverte de l’électron* par J. J. Thomson* en 1897 et par celle du photon par M. Planck* en 1899, l’essor de cette recherche a été marqué par la découverte du noyau* de l’atome par E. Rutherford* en 1911, puis par les progrès de la théorie adaptée au monde de l’infiniment petit, la mécanique* quantique étant bien fondée dès 1930, notamment sur les travaux de E. Schrödinger*, W. Heisenberg* et de P. A. M. Dirac*. Deux années plus tard, en 1932, a eu lieu la découverte de l’électron positif par C. D. Anderson*, la première antiparticule dont Dirac avait prédit l’existence, la découverte du neutron par J. Chadwick*, qui précise la structure du noyau et ouvre le nouveau chapitre de la physique des interactions fortes, enfin la théorie de la radioactivité* β, par E. Fermi*, fondée notamment sur la prédiction par W. Pauli* de l’existence du neutrino, qui marque le début de notre connaissance des interactions faibles. Il restait à mettre en évidence un quantum des interactions fortes, prédit dès 1935 par Yukawa : ce fut le méson π, ou pion, trouvé par C. F. Powell en 1946. À l’aide des nouveaux moyens puissants de production de particules se développe alors toute une nouvelle physique : celle des particules élémentaires, où l’on découvre de nouvelles lois naturelles, telle la violation de la parité dans les interactions faibles (1957). Mais, si la notion de particules élémentaires est intuitive, leur définition ne va pas sans difficulté.
Les particules élémentaires sont celles dont l’existence et les principales propriétés sont postulées pour en déduire l’existence et les propriétés des autres particules considérées comme imposées. On établit ainsi une hiérarchie à divers niveaux. On peut considérer les atomes comme particules élémentaires à l’égard des molécules qui en sont constituées. Mais les atomes eux-mêmes sont composés de particules, les noyaux et les électrons ; ces derniers ont bien actuellement le statut de particules élémentaires, alors que les noyaux apparaissent comme composés, à l’égard des nucléons, des mésons, lesquels, eux-mêmes, ont sans doute une structure. Le processus qui va d’une particule élémentaire à une autre, encore plus élémentaire, semble ne jamais s’arrêter.
En fait, il n’est pas impératif qu’existent réellement des particules élémentaires ; le monde pourrait n’être formé que de particules réelles composées à partir de particules élémentaires inobservables. Bien plus, la théorie dite « du bootstrap » (allusion en langue anglaise à un des exploits du baron de Münchhausen, cherchant à s’élever en se tirant par ses propres lacets de bottes) envisage que les particules existant effectivement dans la nature seraient toutes composées les unes des autres, le processus se « refermant » sur lui-même. Il n’y aurait pas, à proprement parler, de particules vraiment élémentaires. Loin d’avoir une hiérarchie où une particule serait associée à toute une série d’autres qui en seraient les états excités, on se trouverait en présence d’une infinité de particules toutes de même rang.
La donnée de base demeure l’existence des divers types d’interactions (v. invariance). Ces interactions s’exercent par l’intermédiaire de champs, car la théorie de la relativité interdit des actions instantanées à distance. La théorie quantique des champs exprime alors l’interaction par l’émission ou l’absorption de quanta du champ correspondant, qui sont une première famille de particules, répondant à la statistique de Bose-Einstein : les bosons, de spin (ou moment cinétique propre) entier ou nul. Cette interaction s’exerce entre des particules, sources de l’interaction, qui constituent une seconde famille, répondant à la statistique de Fermi-Dirac : les fermions, de spin demi-entier. Toutes les particules peuvent faire l’objet de processus de création ou d’annihilation par paires constituées d’une particule et de son antiparticule en suivant les lois d’invariances*, qui traduisent les symétries de la nature.
En conclusion, nous considérons comme particules élémentaires celles qui apparaissent comme les termes élémentaires entre lesquels s’établissent les principaux types d’interaction incluant les quanta des champs correspondants. Leur classification s’effectue selon les lois de conservation qu’elles respectent. Les seules particules subissant l’interaction forte sont les hadrons ; parmi eux, on distingue les baryons, qui sont des fermions, et les mésons, qui sont des bosons. Les fermions, insensibles aux interactions fortes, forment la petite classe des leptons (électrons, muons, neutrinos), tandis que le photon est le boson caractéristique du champ électromagnétique ; enfin, on recherche, mais toujours vainement jusqu’à présent, à mettre en évidence la particule (dite « boson intermédiaire » et symbolisée par W, initiale du mot anglais weak) qui serait le quantum du champ d’interaction faible et dont la masse doit dépasser 20 GeV.
La physique des particules
Elle s’efforce d’identifier et de caractériser les différentes particules, spécialement nombreuses parmi les hadrons dont on connaît déjà plus d’une centaine ; elle parvient alors à les classer grâce aux divers critères d’invariance. Par ailleurs, elle étudie les propriétés des interactions entre particules, dont elle précise à cette occasion la structure. La méthode classique consiste, en effet, à observer, avec une finesse de détail sans cesse plus grande, c’est-à-dire des énergies sans cesse plus élevées ou des longueurs d’onde plus petites (un électron ou un proton de 200 millions d’électrons-volts ont chacun une longueur d’onde d’environ 10–13 cm), les produits de la réaction d’une particule projectile sur une particule cible et d’en tirer des conclusions quant aux propriétés du projectile et de la cible, ou quant au mécanisme de leur interaction.
