Les leptons sont des particules élémentaires, ce qui signifie qu’ils ne sont pas constitués de particules plus petites.

Six types de leptons sont connus (12 si l’on compte leurs antiparticules). Trois d’entre eux sont des particules chargées négativement : les électrons, les muons et les particules tau. Les trois autres sont des neutrinos, électriquement neutres. Pour chaque type de lepton chargé, il existe un neutrino correspondant, nous avons donc le neutrino de l’électron, le neutrino du muon et le neutrino du tau.

Les leptons sont une partie importante du modèle standard de la physique des particules. Les électrons sont des composants essentiels des atomes, tandis que les neutrinos remplissent l’univers et sont produits à partir des réactions de fusion nucléaire dans les étoiles, ainsi que de la désintégration des particules.

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Qu’est-ce qu’un nombre de leptons ?

Un exemple de leptons impliqués dans la désintégration d’une particule est la désintégration d’un neutron. Les neutrons sont stables lorsqu’ils sont liés à d’autres neutrons et protons dans les noyaux atomiques, mais lorsqu’ils sont seuls à l’extérieur des noyaux atomiques, ils sont instables et se désintègrent après environ 15 minutes. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) en protons, électrons et neutrinos antiélectroniques.

Cette réaction de désintégration présente quelques propriétés fondamentales des leptons. Tout d’abord, il conserve une propriété connue sous le nom de nombre de leptons, identifiée par des physiciens de la Georgia State University. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) comme le nombre de leptons moins le nombre d’antileptons. Le neutron est un baryon, pas un lepton, donc son nombre de leptons est 0. Par conséquent, ses produits de désintégration doivent également s’additionner pour donner un nombre de leptons de 0. Le nombre de leptons d’un électron est 1, et le nombre de leptons d’un antineutrino est -1, donc ils annulent et conservent le nombre total de leptons de la réaction.

Pour compliquer les choses, il existe trois familles de leptons (neutrinos électroniques et électroniques, muons et neutrinos muoniques, particules tau et neutrinos tau), et les règles des nombres de leptons disent qu’ils ne peuvent pas être mélangés et appariés. Ainsi, le neutron ne pourrait jamais se désintégrer et produire un électron et un neutrino d’antimuon, car ils appartiennent à des familles de leptons différentes.

Cependant, une fois qu’un neutrino anti-électron est produit à partir de la désintégration d’un neutron, le neutrino lui-même peut changer sa saveur en un neutrino muon ou tau. C’est ce qu’on appelle l’oscillation des neutrinos et a été décrite par des physiciens du groupe des neutrinos de l’Université de Stanford. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Oscillations de neutrinos – Résoudre l’énigme du problème des neutrinos solaires (s’ouvrira dans un nouvel onglet), où il semblait que seul un tiers du nombre attendu de neutrinos électroniques du Soleil atteignait la Terre. Il s’est avéré qu’ils n’ont pas disparu, mais en chemin, ils se sont transformés en neutrinos du muon et du tau.

Propriétés des leptons

L’électron est le premier lepton découvert en 1897 par le physicien britannique Joseph John Thomson. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). L’électron a une énergie de masse au repos de 0,511 MeV. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) (Mégaélectron-Volt) (correspondant à 9,1 x 10^-31 kg). Les électrons sont des composants importants des atomes qui tournent autour du noyau d’un atome, composé de protons et de neutrons. L’atome aura le même nombre d’électrons qu’il a de protons, assurant que

les charges positives des protons et les charges négatives des électrons s’annulent pour former un atome électriquement neutre. De nombreux processus chimiques sont associés à la présence de ces électrons dans les atomes.

Le physicien britannique Joseph John Thomson a découvert l’électron en 1897. Il est photographié ici au Cavendish Laboratory, Cambridge, Royaume-Uni. (Crédit image : Photo12/Universal Images Group via Getty Images) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Les muons ont été découverts en 1936. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) Carl Anderson et Seth Neddermeyer, qui expérimentaient les rayons cosmiques de l’espace lointain (Anderson avait déjà découvert l’antiparticule de l’électron, le positron). (s’ouvrira dans un nouvel onglet), quatre ans plus tôt). Un rayon cosmique n’est pas tout à fait le bon nom – ce n’est pas un « rayon » mais une particule d’énergie extrêmement élevée produite par des processus violents dans l’univers tels que les quasars, les supernovae et les restes de supernova hautement magnétisés. Lorsque les rayons cosmiques pénètrent dans l’atmosphère terrestre, ils entrent en collision avec les molécules atmosphériques et se séparent, formant un flux de particules enfants produites par la collision. Les muons font partie de ces particules filles, mais ils ont une courte durée de vie et se désintègrent en un électron après seulement 2,2 millionièmes de seconde. Heureusement, comme ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ils peuvent atteindre la surface de la Terre avant de se désintégrer, ce qui permet aux scientifiques de les détecter.

Les muons sont plus massifs que les électrons ; 207 fois plus massif, pour être précis, avec une masse-énergie au repos de 105,7 MeV. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) (équivalent à 1,9 x 10^-28 kg).

Des particules Tau ont été découvertes dans les expériences d’accélérateur de particules de Martin Pearl en 1975. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et, comme les muons, ne se forment également que lors de fortes collisions de particules. Les particules Tau sont encore plus massives que les muons, avec une énergie de masse au repos de 1,777 MeV. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) (correspondant à 3,1x 10^-27 kg), ce qui signifie qu’ils sont environ 3700 fois plus massifs qu’un électron. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Comme les muons, les particules de tau ont une durée de vie incroyablement courte, se désintégrant en aussi peu que 29 billionièmes de seconde. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Clignotez littéralement et vous les manquez, c’est pourquoi il a fallu beaucoup plus de temps pour les détecter.

Le nom « lepton » a été inventé en 1948 par le physicien Leon Rosenfeld. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et le dernier lepton découvert, le neutrino tau, a été découvert aussi récemment qu’en 2000. Le modèle standard ne prédit pas l’existence de leptons supplémentaires, bien qu’il y ait eu quelques suggestions selon lesquelles un quatrième type hypothétique de neutrino, appelé le neutrino stérile, pourrait exister. . Les neutrinos stériles sont une explication possible de la matière noire. Si des neutrinos stériles existent, alors ils seraient la preuve que la physique est au-delà du modèle standard.

Une différence importante entre les leptons et les quarks

Les leptons sont des fermions, ce qui signifie qu’ils ont un spin 1/2 (les fermions ont un spin quantique demi-entier, c’est-à-dire 1/2 ou 3/2). Les quarks, éléments constitutifs des protons et des neutrons qui forment la base des noyaux atomiques, sont également des fermions et des particules élémentaires. Alors, y a-t-il une différence entre les leptons et les quarks ?

Oui j’ai. Il est important de noter que les quarks sont les seules particules qui sont affectées par les quatre forces fondamentales : la force nucléaire forte, la force faible, la force électromagnétique et la gravité. En revanche, les leptons n’en subissent que trois : la force faible, la force électromagnétique et la gravité.

La force forte est la colle qui lie les quarks pour former des noyaux atomiques. De ce fait, aucun quark ne peut exister isolément. Puisque les leptons ne ressentent pas d’interaction forte, ils peuvent librement exister seuls, en dehors des atomes, flottant dans l’espace. Alors que les muons et les particules de tau n’existent pas assez longtemps pour se désintégrer par la force faible afin de tirer le meilleur parti de leur liberté, les électrons libres et les neutrinos sont des composants clés de l’univers des particules.

Les quatre forces fondamentales de la nature sont représentées ici dans le sens des aiguilles d’une montre à partir du haut à gauche : gravité, champ électromagnétique, fort et faible. (Crédit image : MARK GARLICK/BIBLIOTHÈQUE DE PHOTOS SCIENTIFIQUES via Getty Images) (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

Les électrons libres, par exemple, dispersent les photons. Lorsque l’univers était très jeune et chaud, l’espace était rempli d’électrons libres qui diffusaient la lumière, ce qui signifiait que les photons ne pouvaient pas voyager beaucoup et que l’univers restait assez sombre. Environ 379 000 ans après le Big Bang, l’univers s’est suffisamment refroidi pour que les noyaux atomiques fusionnent avec les électrons pour former des atomes complets d’hydrogène et d’hélium. Lorsque la plupart des électrons libres ont explosé, ce chemin a été dégagé, permettant aux photons de voyager enfin sans entrave dans l’espace. Ces premiers photons sont ce que nous voyons aujourd’hui comme le rayonnement de fond diffus cosmologique (CMB) qui nous en dit long sur le tout début de l’univers et le Big Bang.

Bien sûr, il y a encore beaucoup d’électrons libres aujourd’hui ; l’énergie d’un photon entrant en collision avec un atome peut être suffisante pour libérer un électron et « ioniser » l’atome. À l’intérieur du soleil de la Terre, où les températures centrales peuvent atteindre 27 millions de degrés Fahrenheit (15 millions de degrés Celsius), de telles collisions se produisent tout le temps. Les photons d’énergie générés dans le noyau du Soleil par les réactions de fusion diffusent constamment des électrons libres à l’intérieur de la « zone de rayonnement » interne du Soleil, ce qui signifie que selon les hypothèses que vous utilisez dans vos calculs, cela pourrait prendre jusqu’à 4 000 ans. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et un million d’années (s’ouvrira dans un nouvel onglet) atteindre la surface du soleil et rayonner sous forme de lumière. En conséquence, la lumière du soleil que nous voyons est vraiment très ancienne !

Ressources supplémentaires

Apprenez-en plus sur le modèle standard de la physique des particules grâce à ces ressources du DOE. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). En savoir plus sur les leptons sur chemeurope.com (s’ouvrira dans un nouvel onglet), un portail spécialisé pour l’industrie chimique. Plongez plus profondément dans la physique des particules avec ce cours en ligne gratuit de l’Open University. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Bibliographie

Physique des particules, Brian R. Martin (2011, One-World Publications)