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Dans le cadre du modèle standard, les particules sont réparties en deux grands groupes : les fermions et les bosons. Nous allons ici nous intéresser au premier groupe, qui tire son nom d'Enrico Fermi, physicien italien ayant travaillé principalement dans le domaine des réactions nucléaires.

On peut définir physiquement les fermions comme obéissant à certaines lois physiques(1), mais il est également possible de les définir plus simplement : les fermions sont les particules composant la matière. Plus précisément, les fermions sont présents au nombre de douze et, par le biais de combinaisons, ils forment toute la matière de l'univers.

En fait, seuls quatre d'entre eux suffisent à former la matière :

L'électron, qui est sans doute le plus connu des fermions, compose les atomes, et « gravite »(2) autour du noyau de ces derniers. L'électron possède une charge définie comme -1, et une masse d'environ \(9×10^{-31}\) kg.

Sur cette image, la « trajectoire » des électrons n'est qu'une représentation sans sens physique.

Les quarks composent les protons et les neutrons, qui composent eux-mêmes les noyaux des atomes. Le quark up possède une charge de \(+\frac{2}{3}\) et une masse d'environ \(4,4 \times 10^{-30}\) kg ; le quark down a quant à lui une charge de \(-\frac{1}{3}\), et une masse d'environ \(8,8 \times 10^{-30}\) kg.
Deux quarks up associés à un quark down forment donc un proton, de charge +1 ; et un quark up associé à deux quarks down forme un neutron, de charge 0.

Enfin, le neutrino est… mystérieux. Premièrement, il ne compose rien dans la matière (mais est classé dans les fermions pour ses propriétés physiques). Ensuite, contrairement aux trois précédents, il est neutre ; d'ailleurs, « neutrino » signifie en italien « petit neutre ». Et petit, il l'est ! Sa masse n'a pas encore été déterminée avec précision, mais on la sait inférieure à \(4,4×10^{-36}\) kg (soit environ cent mille fois moins que l'électron) ! Sa vitesse fait également polémique, même si elle semble tout de même légèrement inférieure à celle de la lumière.
Pourquoi tant de mystères autour du neutrino ? Eh bien, principalement à cause de la difficulté d'en intercepter… Les neutrinos, de par leur neutralité électrique et leur masse presque nulle, n'interagissent que très peu avec la matière. Jugez plutôt : un neutrino peut voyager à travers du plomb (pourtant connu pour arrêter efficacement à peu près toutes les particules) pendant deux ans avant d'être arrêté !

— Mais, n'y avait-il pas question de douze particules ? Et nous voilà abandonnés au bout de seulement quatre ‽

— Un lecteur attentif

Ne vous inquiétez pas, nous y arrivons ! Ces quatre premières particules sont celles présentes en immense majorité dans l'univers (à une exception près, que nous verrons ci-après). Seulement, ce ne sont pas les seules à exister ! Pour chacune de ces particules, il en existe une autre version, plus lourde, ainsi qu'une troisième version, encore plus lourde !

L'électron se voit ainsi flanqué du muon, 207 fois plus lourd que lui, ainsi que du tauon, possédant quelques 3 500 fois sa masse !

Le quark down est suivi par le quark strange(3), qui possède 20 fois sa masse, et le quark bottom, 800 fois plus lourd que lui.

Le quark up est accompagné des quarks charm (qui a 520 fois sa masse) et top, qui pèse 68 400 fois plus lourd que lui(4) !

Le neutrino possède également ses versions plus lourdes : le neutrino muonique, au moins 68 000 fois plus lourd que lui, et le neutrino tauique, au moins 7 200 000 fois plus lourd que lui (ce qui reste tout de même fort faible : \(3,2×10^{-29}\) kg pour les curieux).

Les six premières particules sont extrêmement rares, possédant des durées de vies extrêmement courtes. Passons maintenant au cas des particules « lourdes » associées au neutrino… Eh bien, le neutrino, histoire de ne jamais faire comme les autres, est capable de se transformer spontanément en ses propres versions plus lourdes !

Voilà donc tous les fermions, dont seuls trois composent toute la matière connue (plusieurs théories sont proposées pour la raison de l'existence ou la fonction des versions plus lourdes, mais aucune n'est pour l'instant concluante).

Et une image pour tout synthétiser !


  1. (1) Pour les plus intéressés, il s'agit de la loi de Fermi-Dirac.
  2. (2) En fait, étant une particule quantique, l'électron se comporte aussi comme une onde et est donc représenté par une probabilité de présence autour du noyau, et non comme un objet avec une trajectoire précise.
  3. (3) Les scientifiques s'amusent comme ils le peuvent !
  4. (4) Ce qui en fait le fermion le plus massif, presque aussi lourd qu'un atome d'or !

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