The Standard Model (Français)

Discussion

introduction

Le Modèle standard est le nom donné dans les années 1970 à une théorie des particules fondamentales et de leur interaction. Il incorporait tout ce qui était connu sur les particules subatomiques à l’époque et prédisait également l’existence de particules supplémentaires.

Il y a dix-sept particules nommées dans le modèle standard, organisées dans le graphique ci-dessous., Les dernières particules découvertes étaient les bosons W et Z en 1983, le quark top en 1995, le neutrino tau en 2000 et le boson de Higgs en 2012.

particules du modèle Standard (nucléons inclus à titre de comparaison)

* Masses du groupe de données des particules

† le proton et le neutron sont des hadrons (faits de quarks), des baryons (faits de trois quarks) et des nucléons (trouvés dans le noyau), mais ce ne sont pas des particules de modèle standard

‡ le boson de Higgs est le seul Boson scalaire connu.,

famille			particule	prédit/ découverte		spin nombre	gratuitement (e)	couleur	*masse* (MeV/c2)
f e r m j’ai o n s	q u r k s	u	jusqu’quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	quark bas	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b à 1 270 dans quark étrange 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 soutien quark top 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b le quark bottom 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b difficile de 4 180 avec en p t o n dans dans electron 1874 1897 ½ −1− aucun 0.,51099895
		μ	muon	0000	1936	½	−1−	none	105.658375
		τ	tau	0000	1975	½	−1−	none	1776.86
		νe	electron neutrino	1930	1956	½	0	none	< 1.1 × 10−6
		νμ	muon neutrino	s1940s	1962	½	0	none	< 0.,19
	ντ	tau neutrino	s1970s	2000	½	0	none	< 18.2
	†	p	proton	1815	1917	½	+1+	none	938.272081
		n	neutron	1920	1932	½	0	none	939.,565413
	b o s o n s	v e c t o r	g	gluon	1962	1978	1	0	8 colors	0
			γ	photon	0000	1899	1	0	none	0
			W	W boson	1968	1983	1	±1±	none	80,379
			Z	Z boson	1968	1983	1	0	none	91,187.,6
		‡	H	boson de higgs	1964	2012	0	0	aucun	125,100

particule familles

particules Fondamentales sont soit les blocs de construction de la matière, appelés fermions, ou les médiateurs des interactions, appelées bosons. Il y a douze fermions nommés et cinq bosons nommés dans le modèle Standard.,

Les fermions obéissent à une règle statistique décrite par Enrico Fermi (1901-1954) d’Italie, Paul Dirac (1902-1984) d’Angleterre et Wolfgang Pauli (1900-1958) d’Autriche appelée principe d’exclusion. En termes simples, les fermions ne peuvent pas occuper la même place en même temps. (Plus formellement, deux fermions ne peuvent pas être décrits par les mêmes nombres quantiques.) Les leptons et les quarks sont des fermions, mais les choses en sont faites comme les protons, les neutrons, les atomes, les molécules, les personnes et les murs. Cela concorde avec nos observations macroscopiques de la matière dans la vie quotidienne., Les gens ne peuvent pas marcher à travers les murs à moins que le mur ne s’écarte du chemin.

Les bosons, en revanche, n’ont aucun problème à occuper la même place en même temps. (Plus formellement, deux bosons ou plus peuvent être décrits par les mêmes nombres quantiques.) Les règles statistiques auxquelles obéissent les bosons ont été décrites pour la première fois par Satyendra Bose (1894-1974) de l’Inde et Albert Einstein (1879-1955) de l’Allemagne. Les gluons, les photons et les W, Z et Higgs sont tous des bosons. En tant que particules qui composent la lumière et d’autres formes de rayonnement électromagnétique, les photons sont les bosons avec lesquels nous avons l’expérience la plus directe., Dans notre expérience quotidienne, nous ne voyons jamais de faisceaux de lumière s’écraser les uns sur les autres. Les Photons sont comme des fantômes. Ils passent les uns à travers les autres sans effet.

Les particules élémentaires ont un moment angulaire de spin intrinsèque S. l’adjectif intrinsèque signifie inné ou essentiel à la chose elle-même. Les particules élémentaires n’ont pas de spin parce que quelqu’un les tourne. Ils tournent simplement — ou plutôt, ils ont juste une quantité mesurable avec les mêmes unités que le moment angulaire. En physique actuelle, les particules élémentaires sont sans caractéristiques-comme un point mathématique., Pour que quelque chose soit perçu comme tournant, la chose qui tourne aurait besoin de quelque chose comme un « avant » et un « arrière ». Les particules ponctuelles sans caractéristiques n’ont rien de tel. La physique des particules est mieux décrite avec les mathématiques. Spin est une étiquette pratique pour une qualité mesurable et non une description de la réalité.

Chaque particule élémentaire lui a associé un nombre quantique de spin s (souvent appelé le nombre de spin ou simplement le spin), où s est tout nombre entier multiple d’une moitié. Les fermions ont des nombres quantiques de spin demi-intégraux ( ½ , 1½, 2½, etc.,) et les bosons ont des nombres quantiques de spin intégraux (0, 1, 2, etc.). Aucun nombre de spin n’est possible entre ces deux. Spin est une quantité quantifiée.

Les fermions élémentaires ont un spin de½. Les particules fabriquées à partir de combinaisons de fermions auront un spin global qui est une combinaison des spins individuels. Un baryon composé de trois quarks se combinera pour obtenir un spin global de ½ ou 1½, car ce sont les seules combinaisons non négatives possibles de½±½±½. Cela montre que tous les baryons (comme les protons et les neutrons, par exemple) sont aussi des fermions., De même, un méson composé d’un quark et d’un antiquark se combinera à un spin global de 0 ou 1 puisque ce sont les seules combinaisons non négatives possibles de½±½. Cela montre que tous les mésons (comme le pion de l’interaction forte résiduelle, par exemple) sont également des bosons.

Les bosons de cariage de force du Modèle Standard (gluons, photons et W et Z) ont un spin 1 puisqu’ils vont avec des champs vectoriels. Le boson de Higgs correspond à un champ scalaire donc il a un spin 0., Si jamais la particule du champ gravitationnel est découverte, elle s’appellerait un graviton et aurait un spin 2 car elle correspond à un champ tensoriel. Un tenseur est un objet mathématique qui est plus complexe qu’un vecteur, qui est à son tour plus complexe qu’un scalaire. Voir la tendance? Un champ scalaire sans direction obtient une particule de spin 0. Un champ vectoriel avec une direction obtient une particule de spin 1. Un champ tensoriel qui étire et comprime l’espace dans deux directions obtient une particule avec spin 2.

toutes les particules fondamentales et composites ont un nombre quantique de spin s (minuscule)., Ceci est associé à un moment angulaire de spin S (majuscule). L’unité SI de moment angulaire est le kilogramme mètre carré par seconde ou, de manière équivalente , la seconde joule, qui est beaucoup trop grande pour les particules élémentaires. Au lieu de cela, ℏ (h bar), également connu sous le nom de constante de Planck réduite (ℏ = h/2π), est utilisé. Pour des raisons qui dépassent le cadre de ce livre, le nombre quantique de spin s (qui n’est qu’un nombre) et le moment angulaire de spin S (qui est un nombre avec une unité) ne sont pas numériquement les mêmes. Au lieu de cela, ils sont liés par une équation non évidente.,

S =	é ⎣	s	⎛ ⎝	s	+ 1	⎞ ⎠	ù ½ ⎦	ℏ

Pour les particules de spin quantique nombre de 0, la solution est judicieuse et le moment angulaire de rotation de 0 ℏ.,

S(0) =	é ⎣	0	⎛ ⎝	0	+ 1	⎞ ⎠	ù ½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

Pour plus de spin quantiques de la rotation angulaire augmente, mais au-delà il n’y a pas grand chose d’autre qui peut être simplement dit.,

Les fermions sont divisés en deux groupes de six: ceux qui doivent se lier ensemble sont appelés quarks et ceux qui peuvent exister indépendamment sont appelés leptons.

Le mot « quark » apparaît à l’origine dans une seule ligne du roman Finnegans Wake écrit par l’auteur irlandais James Joyce (1882-1941). Le protagoniste du livre est un publicain nommé Humphrey Chimpden Earwicker qui rêve qu’il sert de la bière à une mouette ivre (sans blague). Au lieu de demander « trois quarts pour Mister Mark », l’oiseau en état d’ébriété dit « trois quarks pour Muster Mark »., Étant donné que la théorie des modèles pré-standard n’était complète que avec trois quarks, le nom avait un certain sens. Le modèle Standard complet nécessite aujourd’hui six quarks. Cela n’a pas rendu le mot moins amusant à dire. Quark! Les six saveurs de quark sont haut, bas, étrange, charme, haut et bas. Les noms des saveurs sont essentiellement inutile.

Les quarks sont connus pour se lier en triplets et doublets. Les triplets sont appelés baryons, un terme dérivé du mot grec βαρύς (varys) qui signifie « lourd ». Les doublets sont appelés mésons, un terme dérivé du mot grec μέσος (mesos) qui signifie « moyen »., Collectivement, les baryons (les triplets lourds), les mésons (les doublets de poids moyen) et les quarks (les particules fondamentales) sont connus sous le nom de hadrons, du mot grec αδρός (adros) signifiant épais, robuste, massif ou grand. Ce nom fait allusion à la capacité des quarks ponctuels à se lier et à former des particules « épaisses » dans un certain sens.

Les six autres fermions sont appelés leptons, un nom dérivé du mot grec λεπτός (leptos) qui signifie mince, délicat, léger ou petit. Ces particules n’ont pas besoin de se lier les unes aux autres, ce qui les maintient « minces » dans un certain sens., À l’origine, les leptons étaient considérés comme les particules « légères » et les hadrons comme les particules « lourdes », mais la découverte du lepton tau en 1975 a enfreint cette règle. Le tau (le lepton le plus lourd) est presque deux fois plus massif qu’un proton (le hadron le plus léger).

Les baryons présents dans le noyau (le proton et le neutron) sont appelés nucléons. Le mot latin pour noyau est noyau. Les nucléons se trouvent dans le « noyau » métaphorique de l’atome. Les baryons qui contiennent au moins un quark étrange mais aucun quark charm, bottom ou top sont appelés hyperons., Le mot grec pour au-delà Est νπέρ (yper), qui s’est transformé en préfixe anglais hyper -. Les Hyperons sont des particules qui sont « sorties » dans un certain sens.

Les neutrinos sont un sous-groupe important au sein de la leptons. Ils viennent en trois saveurs nommées d’après leur partenaire leptons. L’électron, le muon et le tau sont appariés avec le neutrino électronique, le neutrino muon et le neutrino tau. Les Neutrinos ont très peu de masse (même pour les leptons) et interagissent si faiblement avec le reste des particules qu’ils sont exceptionnellement difficiles à détecter. Le nom est un jeu sur les mots., Le mot italien pour neutron (neutrone) ressemble au mot neutre (neutro) avec un suffixe augmentatif (- one) cloué à la fin. C’est-à-dire que cela ressemble à quelque chose de « gros neutre » pour les oreilles italiennes. Remplacez le suffixe augmentatif-one par le suffixe diminutif-ino et vous avez un « petit neutre », ce qui est une bonne description de ce qu’est un neutrino — une particule neutre diminutive. Aaaaaw, si petit et neutre.

Fermions appartiennent à l’un des trois générations, de l’ordinaire (I), exotiques (II), de très exotique (III)., (Ce sont les adjectifs que j’ai choisis pour décrire les générations.) Les particules de génération I peuvent se combiner pour former des hadrons avec des durées de vie effectivement infinies (atomes stables constitués d’électrons, de protons et de neutrons par exemple). Les particules de génération II forment toujours des hadrons instables. Le hadron le plus ancien contenant un quark de génération II est la particule lambda (composée d’un quark up, down et strange). Il a une durée de vie moyenne de moins d’un milliardième de seconde, ce qui est considéré comme une longue durée de vie pour un hadron instable. Les particules de génération III sont divisées dans leur comportement., Le quark inférieur n’est pas beaucoup plus étrange qu’un quark étrange, mais le quark supérieur est si éphémère qu’il n’existe pas assez longtemps pour faire quoi que ce soit. Il s’effondre avant même que le monde ne sache qu’il existe. Les quarks Top ne sont connus que par leurs produits de désintégration.

interactions des particules

Trois des quatre fources fondamentales de la nature sont incluses dans le Modèle standard de la physique des particules — l’électromagnétisme, la force forte et la force faible. (La gravité n’est pas incluse dans le modèle standard.,) Chaque force agit entre les particules en raison d’une propriété de cette particule — charge pour l’électromagnétisme, couleur pour la force forte et saveur pour la force faible. Les bosons associés à chaque force sont appelés bosons de jauge — le photon pour l’électromagnétisme, les gluons pour la force forte et les bosons W et Z pour la force faible.

La charge est la propriété de la matière qui donne lieu à des phénomènes électriques et magnétiques (appelés collectivement électromagnétisme)., La charge est quantifiée, ce qui signifie qu’elle ne peut exister qu’en quantités discrètes avec des valeurs restreintes — multiples et fractions de la charge élémentaire (e = 1,6 × 10-19 C). Les particules qui existent indépendamment (l’électron, le muon et le tau) portent des multiples de la charge élémentaire (-1 e), tandis que les quarks portent des fractions de la charge élémentaire (+⅔e ou −⅓ e). Les quarks se lient toujours ensemble en groupes dont la charge totale est un multiple intégral de la charge élémentaire, c’est pourquoi personne n’a jamais mesuré directement une charge fractionnaire., De plus, comme les charges opposées attirent, les électrons ont tendance à se lier aux protons pour former des atomes globalement neutres. Nous ne remarquons normalement pas la nature électrique de la matière à cause de cela.

les particules Chargées interagissent par l’échange de photons — le porteur de la force électromagnétique. Chaque fois qu’un électron en repousse un autre ou qu’un électron orbite autour d’un noyau, un photon est responsable. Les Photons sont sans masse, non chargés et ont une portée illimitée., Le modèle mathématique utilisé pour décrire l’interaction des particules chargées par l’échange de photons est connu sous le nom d’électrodynamique quantique (QED).

les Quarks collent aux autres quarks car ils possèdent une caractéristique appelée couleur (ou charge de couleur). Les Quarks sont disponibles en trois couleurs: rouge, vert et bleu. Ne laissez pas les mots vous induire en erreur. Les Quarks sont beaucoup trop petits pour être visibles et ne pourraient donc jamais avoir une propriété perceptuelle comme la couleur. Les noms ont été choisis en raison d’une analogie pratique., Les couleurs des quarks dans le modèle standard se combinent comme les couleurs de la lumière dans la vision humaine.

La lumière rouge plus la lumière verte plus la lumière bleue nous apparaît comme une lumière blanche « incolore ». Un baryon est un triplet d’un rouge, un vert et un bleu quark. Mettez-les ensemble et vous obtenez une particule de couleur neutre. Une couleur plus sa couleur opposée donne également une lumière blanche. La lumière rouge et la lumière cyan ressemblent aux humains à la lumière blanche, par exemple. Un méson est un doublet d’un quark coloré et d’un antiquark anticoloré. Mettez-les ensemble et vous obtenez une particule de couleur neutre.,

Il y a quelque chose dans la couleur qui lui donne envie de se cacher de tout ce qui est plus grand qu’un noyau. Les Quarks ne supportent pas d’être séparés les uns des autres. Ils ont juste à se joindre et toujours le faire d’une manière qui cache leur couleur du monde extérieur. Une couleur n’est jamais favorisée par rapport à une autre lorsque les quarks se réunissent. La matière est couleur neutre jusqu’à la très petite échelle.

Les particules colorées sont liées entre elles par les gluons nommés de manière appropriée. Les Gluons sont également colorés, mais d’une manière plus compliquée que les quarks., Six des huit gluons ont deux couleurs, l’une en a quatre et l’autre en a six. Les gluons collent les quarks ensemble, mais ils collent aussi à eux-mêmes. Une conséquence de ceci est qu’ils ils ne peuvent pas tendre la main et faire beaucoup au-delà du noyau.

Le modèle mathématique utilisé pour décrire l’interaction des particules colorées par l’échange de gluons est connu sous le nom de chromodynamique quantique (QCD). Le désordre collant entier est appelé la force forte ou l’interaction forte car il se traduit par des forces dans le noyau qui sont plus fortes que la force électromagnétique., Sans la force forte, chaque noyau se ferait exploser en miettes.

Il y a douze nommé élémentaire des fermions. La différence entre eux est celle de la saveur. Le mot « saveur » est utilisé ici pour signifier « type » et il ne s’applique qu’aux fermions. Ne laissez pas le mot vous induire en erreur. Les particules subatomiques sont beaucoup trop petites pour avoir des caractéristiques qui pourraient être directement observées par les sens humains.,

Les particules aromatisées interagissent faiblement par l’échange de bosons W ou Z — les porteurs de la force faible (également appelés bosons vectoriels intermédiaires). Lorsqu’un neutron se désintègre en proton, un boson W est responsable. Le modèle mathématique utilisé pour décrire l’interaction des particules aromatisées par l’échange de bosons W et Z est parfois connu sous le nom de flavordynamique quantique (QFD), mais c’est un terme qui n’est pas utilisé par les physiciens des particules en activité. Aux énergies plus élevées, les forces faibles et électromagnétiques commencent à se ressembler de plus en plus., Le modèle mathématique qui décrit ces interactions ensemble est connu sous le nom de théorie électrofaible (EWT). C’est le nom conventionnel de la théorie de la force faible.

masse et gravité

on pense que tous les fermions ont une masse de repos non nulle. Les particules de la génération I sont moins massives que celles de la génération II, qui sont moins massives que celles de la génération III. au sein des générations, les quarks sont plus massifs que les leptons et les neutrinos sont moins massifs que les autres leptons. Les Bosons sont divisés en matière de masse., Les gluons et les photons sont sans masse. Les bosons W, Z et Higgs sont massifs.

la Masse est de l’énergie. Une particule en mouvement est plus massive qu’une particule stationnaire car elle a de l’énergie cinétique. Logiquement alors, une particule stationnaire ne devrait pas avoir de masse. Si nous pouvions arrêter un photon (ce que nous ne pouvons pas), il ne pèserait rien. Notre logique semble fonctionner. Si nous pouvions arrêter un électron (ce que nous pouvons), il pèserait quelque chose. Notre logique est brisée. Pourquoi certaines particules peser quelque chose au repos et autres pèsent rien?,

La masse est l’énergie et l’énergie est de deux types: l’énergie cinétique (l’énergie du mouvement) et l’énergie potentielle (l’énergie de l’arrangement). La contribution de l’énergie cinétique à la masse est mineure. La plupart de la masse autour de nous vient d’une sorte d’énergie potentielle. Par exemple, un proton est composé de deux quarks up et d’un quark down. Les masses de ces trois quarks ne correspondent pas à la masse d’un proton.

mp	non	2mu +1md
938.,272 MeV/c2	non	2(2.3 MeV/c2) + 1(4.8 MeV/c2)
938.272 MeV/c2	non	9.4 MeV/c2

Les masses des pièces ne sont que 1% de la masse de l’ensemble. Les 99% restants proviennent de l’énergie potentielle de la force forte qui maintient le proton ensemble. Les particules qui médient la force forte sont des gluons. L’énergie d’interaction de ces particules sans masse est ce qui donne au proton la majeure partie de sa masse.,

alors pourquoi les quarks ont-ils de la masse mais pas les gluons? Ou comme la question a été historiquement énoncée, pourquoi les bosons W et Z ont-ils une masse mais pas le photon? Peut-être qu’il y a un autre type d’énergie potentielle. Peut — être qu’il y a une autre interaction là — bas-une interaction que certaines particules ressentent et d’autres pas. S’il y a une interaction, Il y a une particule-une particule qui donne de la masse à d’autres particules quand elles ne font rien. L’interaction qui donne de la masse aux particules élémentaires a été proposée en 1964 par des scientifiques dans trois endroits indépendants.,

1. François Englert et Robert Brout à L’Université Libre de Bruxelles en Belgique
2. Peter Higgs à L’Université D’Édimbourg en Écosse
3. Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble à L’Imperial College de Londres

il devrait être appelé le mécanisme Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, mais ce n’est pas le cas. le mécanisme de Higgs et la particule qui Médie L’interaction S’appellent le boson de Higgs, la particule de Higgs, ou (rarement) le higgson.,

tout l’espace est supposé être rempli d’un champ de Higgs — une mer de fond de bosons de Higgs virtuels qui apparaissent et sortent de l’existence. Les quarks, les leptons et les bosons W et Z se déplaçant dans l’espace interagissent avec ce champ, c’est pourquoi ces particules ont une masse. Les photons et les gluons n’interagissent pas avec le champ de Higgs, c’est pourquoi ces particules n’ont pas de masse. Même le boson de Higgs lui-même interagit avec le champ de Higgs. Il se donne la masse!, Le boson de Higgs est différent des autres bosons (gluons, photons, bosons W et Z) en ce que le mécanisme de Higgs n’entraîne rien qui ressemble à une force (comme les forces fortes, électromagnétiques et faibles). Le champ de Higgs est un champ scalaire et le boson de Higgs est une particule de spin nul.

La gravité est la force entre les objets due à leur masse. Le modèle mathématique qui décrirait la gravité au niveau des particules est parfois appelé géométrie quantique (QGD), mais est plus souvent appelé gravitation quantique., Le Modèle standard de la physique des particules n’inclut pas la gravité (ni ne pourrait-elle jamais) et il n’existe actuellement aucune théorie quantique de la gravitation. S’il y en avait, il devrait inclure une particule de carie de force. Le nom proposé pour cette particule est le graviton. La relativité générale décrit les ondes gravitationnelles comme une perturbation tensorielle qui se propage — une perturbation qui cisaille l’espace-temps le long de deux directions perpendiculaires alternées. Ce comportement bidimensionnel conduit les physiciens théoriciens à croire que le graviton aurait spin deux.,

On espère que la gravité sera prise en compte dans une théorie au-delà du modèle standard. Dans un cas extrême d’excès de confiance, certains théoriciens proposent qu’une telle théorie serait une théorie de tout. Compte tenu de l’histoire de la science (et de la vie en général), tout ce qui prétend être la représentation ultime de la réalité (scientifique, économique, culturelle ou religieuse) est certainement condamné à être remplacé par quelque chose de plus grand et de meilleur — ou à tout le moins, quelque chose de moins faux.

noms, noms, noms

Le thème de ce sujet semble être « noms, noms, noms ».,

Groupes de particules nommés d’après les physiciens

* Les particules classiques (les molécules d’un gaz idéal, par exemple) ne font pas partie du Modèle standard, mais sont incluses à des fins de comparaison.,d>

– delà

les groupes de Particules avec des noms d’origine latine

groupe	racine latine	sens
nucléons	noyau	kernel

les groupes de Particules avec des noms de divers origine

groupe	source	explication
neutrinos	Enrico Fermi (1901-1954) Italie	italien, diminutif de neutrons (neutrone)., Neutrino pourrait être traduit par le  » petit neutre « pour le contraster avec neutrone, qui est le »grand neutre ».
quarks	Murray Gell-Mann (1929-2019) États — Unis	Un énoncé arbitraire plus tard associé à un passage dans Finnegans Wake-un roman de l’auteur moderniste irlandais James Joyce. Destiné à ressembler à une mouette ivre commandant des « quarts » de bière.,aternions de valeur absolue 1, {x ∈ ℍ: |x| =1} difféomorphe à une hypersphère (3-sphère) homomorphe au groupe de rotation SO(3), l’ensemble de toutes les rotations autour de l’origine dans l’espace euclidien tridimensionnel ordinaire U(1) groupe unitaire du 1er ordre l’ensemble de tous matrices isomorphe au groupe des cercles, le groupe multiplicatif des nombres complexes de valeur absolue 1, T = {x ∈ ℂ: |x| =1} isomorphe à SO(2), le groupe orthogonal spécial du second ordre lagrangien qu’est-ce que c’est?, Le Modèle Standard Lagrangien. Que faut-il dire? Je te le ferai savoir quand je le saurai.