Les Fermions

Un fermion élémentaire est une particule qui forme la matière, comme les électrons ou les quarks. Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons et les quarks. Voici tout ce qu'il faut savoir sur ces éléments.

Qu'est-ce qu'un fermion élémentaire ?

Dans « fermion élémentaire », il y a d'abord fermion... Un fermion est une particule de spinspin demi-entier, en pratique tous les fermions élémentaires ont un spin 1/2 (le spin est une propriété quantique de la matière assez étrange). Les fermions ont la propriété suivante : si on prend une boîte et qu'on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d'en ajouter... La matière ne peut donc pas être comprimée à l'infini (alors qu'il y aurait toujours de la place dans la boîte pour des bosonsbosons, qui sont les particules de spin entier).

Dans « fermion élémentaire », il y a aussi élémentaire... Une particule élémentaireparticule élémentaire est une particule qui ne contient aucune sous-structure : elle ne peut pas être divisée. Expérimentalement, la taille d'un fermion élémentaire n'a jamais pu être mesurée, en tout cas elle doit être inférieure à 10^-18 m, soit inférieure à un millionième de milliardième de millimètre ! Théoriquement, un fermion élémentaire est une particule ponctuelle, c'est-à-dire une particule sans volumevolume donc sans taille.

Les fermions élémentaires sont séparés en deux catégories : les leptons (comme l'électron ou le neutrino) et les quarks.

Qu'est-ce qu'un lepton ?

Un lepton est un fermion élémentaire qui n'est pas sensible à l'interaction forteinteraction forte, il n'est donc sensible qu'à l'interaction faibleinteraction faible et éventuellement l'interaction électromagnétique.

Les deux leptons les plus connus sont l'électron et le neutrino.

Comme le neutrino est électriquement neutre, il n'est sensible qu'à l'interaction faible. Ainsi, les neutrinosneutrinos interagissent extrêmement peu avec la matière, ils sont donc très difficiles à détecter. Les neutrinos peuvent facilement traverser la Terre sans subir le moindre choc.

Vous êtes traversé par environ 400.000 milliards de neutrinos par seconde (qui viennent presque tous du SoleilSoleil), sans que cela ait le moindre effet sur vous (heureusement) !

Qu'est-ce qu'un quark ?

Un quark est un fermion élémentaire qui est sensible à toutes les interactions : l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et aussi l'interaction forte. Les quarks sont les constituants des nucléonsnucléons, qui constituent le noyau atomique.

La matière ordinaire

La matière ordinaire, c'est-à-dire celle qu'on trouve sur Terre et qui constitue la majorité de la matière visible de l'universunivers, est formée de seulement quatre fermions élémentaires différents :

• les quarks up et down permettent de former les nucléons et donc les noyaux des atomesatomes ;
• l'électron permet, avec les noyaux atomiques, de former les atomes ; 
• le neutrino électroniqueneutrino électronique est créé dans la radioactivitéradioactivité beta et est en grande quantité dans l'univers.

Le nombre en haut à gauche est la charge électrique, par définition le proton a une charge +1. Le nombre du milieu est la masse exprimée en électron-volt, les masses des quarks sont mal connues, la masse du neutrino n'a pas encore pu être mesurée. © DR

L'électron a été découvert en 1897 par J.- J. Thomson. Les quarks ne furent mis en évidence expérimentalement qu'en 1975 après avoir été imaginés par Bjorken et Feynman dans les années 1967-1970 pour expliquer les propriétés des protonsprotons, neutronsneutrons et autres particules contenant des quarks.

Bien que la radioactivité ait été découverte en 1898, le neutrino est resté longtemps inconnu, en raison de sa très faible interaction avec la matière qui le rend très difficilement détectable. Néanmoins, il est rapidement apparu (vers 1925) qu'une autre particule que l'électron devait être présente dans la désintégration beta. Ainsi, en 1930, W. Pauli fit l'hypothèse de l'existence du neutrino. Puis, en 1933, E. Fermi baptisa le neutrino (= petit neutre) et élabora une première théorie de l'interaction faible. Finalement, il fallut attendre 1956 pour que F. Reines et C. Cowan observent pour la première fois des neutrinos, en se plaçant à proximité d'une des premières centrales nucléairescentrales nucléaires, source intense de neutrinos.

Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticuleantiparticule : anti-quarks, antiélectron, antineutrino.

Les trois familles de fermion

En 1937, une nouvelle particule fut découverte dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques : elle possède les mêmes propriétés que l'électron, sauf sa massemasse qui est environ 200 fois supérieure. Cette nouvelle particule fut appelée le muonmuon.

À partir de 1947, toujours dans les rayonnements cosmiques, de nombreuses nouvelles particules, des hadronshadrons, furent découvertes, paraissant étranges. C'est pour interpréter ces nouvelles particules, ainsi que les particules déjà connues, que le concept de quarks fut élaboré, avec seulement au début trois quarks : le up, le down et le quark squark s (pour strange), quark contenu dans ces nouvelles particules. Ce quark s possède les mêmes propriétés que le quark dquark d, sauf sa masse plus élevée.
En 1962, une expérience montra qu'il existe un autre neutrino, le neutrino muoniqueneutrino muonique, compagnon du muon comme le neutrino électronique est compagnon de l'électron dans la désintégration beta.

Ainsi, il apparut que, en plus de la matière ordinaire (les quarks u et d, l'électron et le neutrino électronique), existaient d'autres particules semblables aux premières mais seulement plus lourdes. Ces nouvelles particules peuvent se ranger dans une deuxième famille, la première famille regroupant la matière ordinaire. Mais, pour compléter la deuxième famille, il manquait un quark, le compagnon du s, et il fut donc introduit dans la théorie par Glashow, Iliopoulos et Maiani en 1970 sous le nom de charme. La découverte de ce quark en 1974 confirma la théorie, et permit de compléter la deuxième famille de leptons.

Le nombre en haut à gauche est la charge électrique, par définition le proton a une charge +1. Le nombre du milieu est la masse exprimée en électron-volt, les masses des neutrinos n'ont pas encore pu être mesurées. © DR

Peu après la découverte du quark cquark c, un nouveau lepton fut découvert, encore plus massif que le muon mais possédant les mêmes propriétés, il fut appelé le tau. Ce nouveau lepton semblait donc montrer l'existence d'une troisième famille de fermions.

Ainsi, afin de compléter la troisième famille et pour expliquer un phénomène nouveau (la violation de la symétrie CPviolation de la symétrie CP), une troisième famille de quarks, les quarks b et t, furent introduits dans la théorie. Le quark b fut ensuite découvert en 1977 et le quark tquark t plus récemment en 1994.

Néanmoins, pour que la troisième famille soit complète, il manque le neutrino tau dont l'existence n'est pas remise en question mais n'a pour l'instant pas été mise en évidence expérimentalement de manière directe. Par contre, le nombre de neutrinos de masse inférieure à 45GeV a été mesuré et il est de trois, ce qui rend l'existence du neutrino tau indispensable.

Il existe ainsi trois familles de fermions élémentaires dont les propriétés sont identiques, la seule différence entre ces familles étant la masse. Cette structure est pour l'instant totalement inexpliquée. La première famille constitue la matière ordinaire, les autres familles ne sont présentes que dans les rayons cosmiques et lors de collisions dans des accélérateurs de particules.

Pour chacune de ces particules existe aussi une antiparticule : antiquark, antiélectron, antimuon, antitau, antineutrino.

Peut-on observer des quarks libres ?

La théorie de l'interaction forte (QCDQCD) montre que les quarks ne peuvent jamais être libres : il n'est donc pas possible d'observer un quark seul. Les quarks sont donc toujours confinés à l'intérieur de particules composites appelées hadrons. Les protons et les neutrons sont des exemples de hadrons.

On distingue deux catégories de hadrons :

• les hadrons formés de trois quarks sont des baryonsbaryons, comme les protons ou les neutrons ;

• les hadrons formés d'un quark et un anti-quark sont des mésonsmésons.

Quelle est la masse des neutrinos ?

La masse des neutrinos est théoriquement nulle, mais il n'existe aucun argument pour que ces masses soient réellement nulles. Pour l'instant, les masses des neutrinos n'ont pas été mesurées et seulement des limites supérieures sur ces masses existent. Ce qui est sûr, c'est que ces masses sont très faibles par rapport aux leptons associés. Par exemple, le neutrino électronique a une masse au moins trente mille fois plus faible que celle de l'électron.

Le 5 juin 1998, au Japon, l'expérience Super-KamiokandeSuper-Kamiokande a annoncé avoir mis en évidence une masse non nulle pour un neutrino. Cette masse est très faible mais est différente de zéro. Il faudra attendre d'autres résultats pour en savoir plus sur la masse des neutrinos...