En physique des particules, une particule élémentaire, ou particule fondamentale, est une particule dont on ne connaît pas la composition : on ne sait pas si elle est constituée d'autres particules plus petites. Les particules élémentaires incluent les fermions fondamentaux (quarks, leptons, et leurs antiparticules, les antiquarks et les antileptons) qui composent la matière et l'antimatière, ainsi que des bosons (bosons de jauge et boson de Higgs) qui sont des vecteurs de forces et jouent un rôle de médiateur dans les interactions élémentaires entre les fermions. Une particule qui contient plusieurs particules élémentaires est une particule composite.
La matière telle qu'on la connaît est composée d'atomes, que l'on croyait initialement être des particules élémentaires (le mot « atome » signifie insécable en grec). L'existence même de l'atome a été controversée jusqu'en 1910 : les physiciens de l'époque voyaient les molécules comme des illusions mathématiques et la matière uniquement composée d'énergie. Par la suite, les constituants subatomiques ont été identifiés. Au début des années 1930, l'électron et le proton ont été observés, ainsi que le photon, la particule du rayonnement électromagnétique. Au même moment, les avancées récentes de la mécanique quantique ont radicalement changé notre conception de la particule, puisqu'une particule seule pouvait occuper une partie de l'espace comme le ferait une onde, un phénomène qui n'est toujours pas explicable à notre échelle, composée d'objets (notamment atomes et molécules) qui ont une localité précise.
Grâce à la théorie quantique, il a été découvert que les protons et les neutrons contenaient des quarks (nommés up et down), maintenant considérés comme des particules élémentaires. Et à l'intérieur d'une molécule, les trois degrés de liberté de l'électron (charge, spin et orbitale) peuvent être distingués par la fonction d'onde en trois quasi-particules (holon, spinon et orbiton). Cependant, un électron libre (qui n'est pas en orbite autour d'un noyau atomique et donc sans mouvement orbital) semble insécable et reste classé comme particule élémentaire.
Les fermions élémentaires ont un spin demi-entier et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et au principe d'exclusion de Pauli : ils constituent la matière baryonique. Les bosons ont un spin entier et obéissent à la statistique de Bose-Einstein : ils constituent les interactions élémentaires, hormis la gravitation que nous n'avons pas encore réussi à intégrer au modèle standard.
Les douze fermions décrits par le modèle standard sont classés en trois générations, c'est-à-dire en trois quadruplets de particules dont les termes correspondants sont de masse croissante d'une génération à la suivante. Seuls les fermions de la première génération (dont la masse est la plus faible) sont couramment observés et constituent la matière que nous connaissons ; les huit autres fermions ne s'observent que dans des conditions particulièrement énergétiques (comme dans un accélérateur de particules).
Histoire + Propriétés principales des premières particules identifiéesLes valeurs y sont données avec une précision de 1 % pour les masses. Particule Masse Charge électrique Neutron 1 uma neutre Proton 1 uma e Électron 1/2000 uma −e
Les Grecs de l'Antiquité, dont Démocrite, ont introduit le mot « atome », qui signifie « indivisible », pour nommer les constituants fondamentaux de la matière. On a découvert au que les atomes étaient eux-mêmes composés de plus petites particules : électrons, protons et neutrons (il devenait alors possible de « briser un atome »).
Dans les années 1930, les scientifiques pensaient que les électrons, les protons et les neutrons étaient véritablement indivisibles. On les désigna alors comme « particules élémentaires ».
Pour étudier l'interaction des neutrons et des protons dans le noyau atomique, on les fait entrer en collision dans un accélérateur de particules. On découvre alors que ces particules subatomiques sont elles-mêmes composées d'objets plus petits, les quarks. Les protons et les neutrons sont composés chacun de trois quarks. Ces particules composites sont presque toujours représentées sous une forme parfaitement sphérique mais cette dernière représente seulement la région de l'espace au-delà de laquelle la nature composite de ces particules devient visible. Dans le modèle standard, proton et neutron n'ont pas de forme à proprement parler.
Jusqu'ici, aucune sous-structure n'a été découverte aux quarks ni aux électrons. Ce sont donc les nouvelles particules élémentaires.
L'observation des collisions de particules, composites et souvent instables, a permis aux physiciens de déduire l'existence de nouvelles particules élémentaires. La description des composants de base de la nature et de leurs interactions est décrite dans la théorie physique appelée le « modèle standard » des particules.
Particules élémentaires du modèle standard
Les premiers pas dans l'élaboration du modèle standard des particules élémentaires ont été faits en 1960 par le physicien américain Sheldon Glashow, prix Nobel de physique 1979, avec l'unification de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible en une interaction électrofaible au-dessus d'une énergie d'unification de l'ordre de . Puis, en 1967, l'Américain Steven Weinberg et le Pakistanais Abdus Salam ont intégré le mécanisme de Higgs (théorisé en 1964 par Peter Higgs) au modèle élaboré par Glashow pour lui donner sa forme actuelle, qui rend compte de la masse des particules ; ils ont reçu pour cela le prix Nobel de physique 1979, en même temps que Glashow. Enfin, le modèle standard a été finalisé par l'unification de la chromodynamique quantique avec l'interaction électrofaible, afin d'y intégrer l'interaction forte rendant compte notamment de la liberté asymptotique ainsi que du confinement de couleur des quarks en hadrons dont la charge de couleur résultante est toujours « blanche » (d'où le qualificatif chromodynamique appliqué à cette théorie quantique des champs).
Fermions
Les fermions sont décrits par le modèle standard comme ayant un spin demi-entier et respectant le principe d'exclusion de Pauli en accord avec le théorème spin-statistique. Il existe douze fermions décrits par le modèle standard.
Les fermions élémentaires pouvaient être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks, un lepton chargé et son neutrino. D'une famille à l'autre, les propriétés des particules sont semblables, à l'exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille.
La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique (νe). Dans la deuxième famille, on trouve les quarks charm et strange ainsi que le muon et le neutrino muonique (νμ). Les quarks top et bottom, le tauon et le neutrino tauique (ντ) forment la troisième famille.
Absolument tout ce qui existe résulte de l'agencement de ces 12 particules ou de leurs antiparticules : les fermions forment la matière.
Leptons
Parmi les douze fermions du modèle standard, six ne sont pas soumis à l'interaction forte et ne connaissent que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les leptons. L'interaction électromagnétique ne concerne que les particules portant une charge électrique, tandis que l'interaction faible agit sur tous les leptons, y compris électriquement neutres.
Il y a six sortes, ou saveurs de leptons, dont trois ont une charge électrique négative et trois sont neutres. Mais, à la différence des quarks, un lepton peut se retrouver seul. On ne sait pas en 2007 si des liens fondamentaux relient les 6 saveurs de leptons et celles de quarks.
Le lepton le plus connu est l'électron (e). Les deux autres leptons chargés sont le muon (μ) et le tau (τ). Ils sont beaucoup plus massifs que l'électron. Les trois leptons sans charge électrique sont les neutrinos (ν, lettre grecque prononcée "nu"). Il y a une saveur de neutrino associée à chacun des leptons chargés : un neutrino électronique (νe), un neutrino muonique (νμ) et un neutrino tauonique (ντ).
L'existence du neutrino électronique fut prédite par Wolfgang Pauli en 1932, mais ce n'est qu'en 1956 qu'il fut découvert. Entre-temps, le muon fut observé (en 1936) dans les réactions entre l'atmosphère et les rayons cosmiques. Rien ne laissait présager son existence, à ce point qu'Isidor Isaac Rabi, un physicien des particules, accueillit la nouvelle en demandant : « Mais qui a commandé ce truc-là ? ». La surprise fit place à une recherche plus approfondie qui allait mener à la découverte des autres leptons.
Les neutrinos ont été très difficiles à voir car ils n'interagissent presque pas avec la matière. Il faut construire des observatoires souterrains, loin de toute perturbation, pour pouvoir détecter quelques neutrinos par jour. Pourtant, le Soleil émet une énorme quantité de neutrinos. Ainsi, des milliards de neutrinos solaires traversent notre corps à chaque seconde, mais n'interagissent aucunement avec lui.
Chargeélectrique 0 −1 e ( e = 1,602176487×10−19 C ) Génération Particule Symbole /antiparticule Masse(keV/c2) Particule Symbole /antiparticule Masse(keV/c2) Neutrino électronique νe / νe < Électron e− / e+ Neutrino muonique νµ / νµ < Muon µ− / µ+ Neutrino tauique ντ / ντ < Tau τ− / τ+
Chaque lepton a son antilepton, de même masse, même spin, mais de charge électrique opposée, d'isospin faible opposé ou encore d'hélicité inverse (gauche pour les neutrinos, droite pour les antineutrinos) :
un antineutrino pour chaque saveur de neutrino le positron pour l'électron l'antimuon pour le muon l'antitau pour le tau
Quarks
Parmi les douze fermions du modèle standard, six seulement connaissent l'interaction forte au même titre que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique : ce sont les quarks.
En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig découvrirent indépendamment que des centaines de particules pouvaient être expliquées par des combinaisons de seulement trois éléments. Gell-Mann choisit le nom « quarks » pour désigner ces éléments. Ce mot fut inventé par James Joyce dans son roman Finnegans Wake (ce roman regorge de mots imaginaires et viole volontairement les règles linguistiques). Ce n'est qu'au début des années 70 que la réalité physique de ces quarks fut prouvée, et qu'ils accédèrent au rang de particules.
Nous savons maintenant qu'il y a six sortes ou saveurs de quarks. Ils furent baptisés, par ordre de masses croissantes : up, down, strange, charm, bottom et top. De plus, pour chacun de ces quarks, il y a un antiquark correspondant.
Les quarks ont la propriété d'avoir une charge électrique fractionnaire. Cette charge est de 2/3 pour les quarks up, charm et top et de −1/3 pour les quarks down, strange et bottom.
Les quarks sont des particules sociables : on n'en trouve jamais un qui soit seul. Ils se tiennent en paquets de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Par exemple, le proton est un hadron composé de deux quarks up et d'un quark down. Quant au neutron, il est formé de deux quarks down et d'un quark up. Cette propriété fait que les particules observées à l'état libre ont toutes une charge électrique entière ou nulle.
Les particules formées de quarks et d'antiquarks sont appelées hadrons. Elles se répartissent en deux classes : les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons (n) ou les protons (p) ou de trois antiquarks : l'antiproton et l'antineutron. Ils sont caractérisés par un nombre quantique appelé charge baryonique. les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark.
200px|thumb|right|Synthèse additive des couleurs primaires.