QUE SONT LES LEPTONS?

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Au cours des XIXe et XXe siècles, les physiciens ont commencé à sonder profondément la nature de la matière et de l'énergie. Ce faisant, ils ont rapidement réalisé que les règles qui les régissent deviennent de plus en plus floues au fur et à mesure. Alors que la théorie dominante était que toute la matière était constituée d'atomes indivisibles, les scientifiques ont commencé à réaliser que les atomes étaient eux-mêmes composés de particules encore plus petites.

De ces recherches est né le modèle standard de physique des particules. Selon ce modèle, toute la matière dans l'Univers est composée de deux types de particules: les hadrons - dont le Grand collisionneur de hadrons (LHC) tire son nom - et les leptons. Lorsque les hadrons sont composés d'autres particules élémentaires (quarks, anti-quarks, etc.), les leptons sont des particules élémentaires qui existent par elles-mêmes.

Définition:

Le mot lepton vient du grec leptos, ce qui signifie «petit», «fin» ou «mince». La première utilisation enregistrée du mot a été par le physicien Leon Rosenfeld dans son livreForces nucléaires (1948). Dans le livre, il a attribué l'utilisation du mot à une suggestion du chimiste et physicien danois, le professeur Christian Moller.

Le terme a été choisi pour désigner des particules de petite masse, car les seuls leptons connus à l'époque de Rosenfeld étaient des muons. Ces particules élémentaires sont plus de 200 fois plus massives que les électrons, mais ont seulement environ un neuvième de la masse d'un proton. Avec les quarks, les leptons sont les éléments constitutifs de base de la matière et sont donc considérés comme des «particules élémentaires».

Types de leptons:

Selon le modèle standard, il existe six types différents de leptons. Il s'agit notamment des particules Electron, Muon et Tau, ainsi que des neutrinos associés (c'est-à-dire neutrino électronique, neutrino muon et neutrino tau). Les leptons ont une charge négative et une masse distincte, tandis que leurs neutrinos ont une charge neutre.

Les électrons sont les plus légers, avec une masse de 0,000511 gigaélectronvolts (GeV), tandis que les muons ont une masse de 0,1066 Gev et les particules Tau (les plus lourdes) ont une masse de 1,777 Gev. Les différentes variétés des particules élémentaires sont communément appelées «saveurs». Bien que chacune des trois saveurs de lepton soit différente et distincte (en termes d'interactions avec d'autres particules), elles ne sont pas immuables.

Un neutrino peut changer sa saveur, un processus qui est connu comme «oscillation de saveur de neutrino». Cela peut prendre plusieurs formes, notamment le neutrino solaire, le neutrino atmosphérique, le réacteur nucléaire ou les oscillations de faisceau. Dans tous les cas observés, les oscillations ont été confirmées par ce qui semblait être un déficit du nombre de neutrinos créés.

Une cause observée est liée à la «désintégration des muons» (voir ci-dessous), un processus où les muons changent de saveur pour devenir des neutrinos électroniques ou des neutrinos tau - selon les circonstances. De plus, les trois leptons et leurs neutrinos ont une antiparticule associée (antilepton).

Pour chacun, les antileptons ont une masse identique, mais toutes les autres propriétés sont inversées. Ces paires sont constituées de l'électron / positron, du muon / antimuon, du tau / antitau, du neutrino électronique / de l'antineutrino électronique, du neutrino du muon / muan antinuetrino et du neutrino tau / antineutrino tau.

Le modèle standard actuel suppose qu'il n'existe pas plus de trois types (alias «générations») de leptons avec leurs neutrinos associés. Cela concorde avec les preuves expérimentales qui tentent de modéliser le processus de nucléosynthèse après le Big Bang, où l'existence de plus de trois leptons aurait affecté l'abondance d'hélium dans l'Univers primitif.

Propriétés:

Tous les leptons possèdent une charge négative. Ils possèdent également une rotation intrinsèque sous la forme de leur spin, ce qui signifie que les électrons avec une charge électrique - c'est-à-dire les "leptons chargés" - généreront des champs magnétiques. Ils ne peuvent interagir avec d'autres matières que si les forces électromagnétiques sont faibles. En fin de compte, leur charge détermine la force de ces interactions, ainsi que la force de leur champ électrique et comment ils réagissent aux champs électriques ou magnétiques externes.

Cependant, aucun n'est capable d'interagir avec la matière via des forces fortes. Dans le modèle standard, chaque lepton commence sans masse intrinsèque. Les leptons chargés obtiennent une masse efficace grâce aux interactions avec le champ de Higgs, tandis que les neutrinos restent sans masse ou n'ont que de très petites masses.

Histoire de l'étude:

Le premier lepton identifié a été l'électron, découvert par le physicien britannique J.J. Thomson et ses collègues en 1897 utilisant une série d'expériences sur des tubes à rayons cathodiques. Les découvertes suivantes ont eu lieu dans les années 1930, ce qui a conduit à la création d'une nouvelle classification pour les particules à interaction faible qui étaient similaires aux électrons.

La première découverte a été faite par le physicien austro-suisse Wolfgang Pauli en 1930, qui a proposé l'existence du neutrino électronique afin de résoudre les façons dont la désintégration bêta contredisait la loi sur la conservation de l'énergie et les lois du mouvement de Newton (en particulier la conservation des Momentum and Conservation of Angular Momentum).

Le positron et le muon ont été découverts par Carl D. Anders en 1932 et 1936, respectivement. En raison de la masse du muon, il a d'abord été confondu avec un méson. Mais en raison de son comportement (qui ressemblait à celui d'un électron) et du fait qu'il n'a pas subi d'interaction forte, le muon a été reclassé. Avec l'électron et le neutrino électronique, il fait partie d'un nouveau groupe de particules appelées «leptons».

En 1962, une équipe de physiciens américains - composée de Leon M. Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger - a pu détecter des interactions par le neutrino muon, montrant ainsi qu'il existait plus d'un type de neutrino. Dans le même temps, les physiciens théoriciens ont postulé l'existence de nombreuses autres saveurs de neutrinos, qui seraient finalement confirmées expérimentalement.

La particule tau a suivi dans les années 1970, grâce aux expériences menées par le physicien lauréat du prix Nobel Martin Lewis Perl et ses collègues du SLAC National Accelerator Laboratory. La preuve de son neutrino associé a suivi grâce à l'étude de la désintégration du tau, qui a montré une énergie et une impulsion manquantes analogues à l'énergie et à l'impulsion manquantes causées par la désintégration bêta des électrons.

En 2000, le neutrino tau a été directement observé grâce à l'observation directe de l'expérience NU Tau (DONUT) au Fermilab. Ce serait la dernière particule du modèle standard observée jusqu'en 2012, lorsque le CERN a annoncé qu'il avait détecté une particule qui était probablement le boson de Higgs recherché depuis longtemps.

Aujourd'hui, certains physiciens des particules pensent qu'il y a encore des leptons à découvrir. Ces particules de «quatrième génération», si elles sont effectivement réelles, existeraient au-delà du modèle standard de la physique des particules et interagiraient probablement avec la matière de manière encore plus exotique.

Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur les leptons et les particules subatomiques ici à Space Magazine. Voici ce que sont les particules subatomiques?, Que sont les baryons?, Premières collisions du LHC, deux nouvelles particules subatomiques trouvées et les physiciens peuvent, peut-être, confirmer la découverte possible de la 5e force de la nature.

Pour plus d'informations, le centre des visiteurs virtuels du SLAC a une bonne introduction aux leptons et assurez-vous de consulter la revue PDP (Particle Data Group) de la physique des particules.

Astronomy Cast a également des épisodes sur le sujet. Voici l'épisode 106: La recherche de la théorie de tout et l'épisode 393: Le modèle standard - Leptons & Quarks.

Sources: