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Du noyau à l'infiniment petitEn Terminale, on apprend que la matière est constituée d'atomes, eux-mêmes formés d'un noyau (protons, neutrons) et d'électrons. La physique des particules va plus loin : protons et neutrons ne sont pas élémentaires, ils sont composés de quarks. Une particule élémentaire est un objet ponctuel, sans structure interne connue, qui ne peut pas être divisé. Le Modèle Standard décrit l'ensemble des particules élémentaires connues et leurs interactions. On distingue deux grandes familles : les fermions (particules de matière) et les bosons (particules d'interaction).
📖 Définition
Particule élémentaire : constituant fondamental de la matière, sans structure interne détectable à ce jour.
📢 Rappel
L'atome est composé d'électrons autour d'un noyau de protons et de neutrons.
💡 À retenir : Une particule élémentaire est insécable : elle n'a pas de sous-structure connue.
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Fermions et générationsLes fermions se divisent en quarks et leptons, organisés en trois familles ou générations. Les quarks portent des charges électriques fractionnaires : +2/3 pour up, charm, top et -1/3 pour down, strange, bottom. Ils n'existent pas libres dans la nature ordinaire : ils sont confinés dans les hadrons, comme le proton (uud) et le neutron (udd). Les leptons incluent l'électron, le muon, le tau et leurs neutrinos associés, avec des charges entières (0 ou -1). La matière ordinaire est constituée uniquement de la première génération : quarks up et down, électron et neutrino électronique.
📖 Définition
Hadron : particule composite formée de quarks, comme le proton et le neutron.
🔍 Exemple
Un proton est formé de deux quarks up et d'un quark down : sa charge vaut 2/3+2/3-1/3 = +1.
⭐ À retenir
Les quarks ont des charges fractionnaires, les leptons des charges entières.
💡 À retenir : Proton = uud, Neutron = udd ; la matière ordinaire n'utilise que la première génération.
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Transmettre les forcesIl existe quatre interactions fondamentales : forte, électromagnétique, faible et gravitationnelle. Chaque interaction est transmise par un boson médiateur : le gluon pour l'interaction forte, le photon pour l'électromagnétisme, les bosons W et Z pour l'interaction faible, et le graviton (hypothétique, non observé) pour la gravitation. Le boson de Higgs, découvert en 2012, n'est pas un médiateur de force mais donne leur masse aux particules massives. Ces interactions ont des portées et intensités très différentes : la forte est la plus intense mais de très courte portée, l'électromagnétisme agit à longue portée, la faible est très courte portée, la gravitation est négligeable à l'échelle subatomique.
📖 Définition
Boson médiateur : particule qui transmet une interaction entre particules de matière.
⭐ À retenir
L'interaction forte est la plus intense mais confinée au noyau.
🔍 Exemple
Le photon est le boson de l'électromagnétisme : il est responsable de la lumière et des forces électriques.
💡 À retenir : Chaque force a son boson : gluon, photon, W/Z, graviton.
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E=mc² et annihilationLa relation d'Einstein E = mc² relie la masse au repos m d'une particule à son énergie de masse E. Lors d'une annihilation particule-antiparticule, la masse disparaît et se transforme intégralement en énergie, souvent sous forme de photons. Inversement, dans les collisionneurs comme le LHC, l'énergie cinétique des particules accélérées permet de créer de nouvelles particules massives. Des grandeurs comme la charge électrique, le nombre leptonique et le nombre baryonique sont conservées lors des réactions. Ces principes expliquent pourquoi certaines désintégrations sont possibles et d'autres interdites.
⭐ À retenir
La charge électrique totale est conservée dans toute réaction entre particules.
🔍 Exemple
L'annihilation électron-positron produit deux photons d'énergie totale égale à 2 × 511 keV.
📢 Rappel
Une antiparticule a même masse mais charges opposées.
💡 À retenir : La masse peut se convertir en énergie et inversement : E = mc².