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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Classification des particules élémentaires. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes "Combien de particules élémentaires ont été découvertes jusqu'à présent ?" demande Regge dans son livre sur la physique. "A en juger par l'épaisseur des brefs ouvrages de référence décrivant leurs propriétés et qui sont en circulation parmi les physiciens, alors plusieurs centaines. Beaucoup de ces particules sont collectées dans des familles semblables aux familles de nucléons ou de pions. Ces familles jouent un rôle comparable à celui du système périodique de Mendeleev, si utile en chimie. Mais c'est précisément cette similitude qui suggère que nous sommes engagés dans la classification d'objets semblables aux atomes D'une manière ou d'une autre, mais la recherche de constituants vraiment élémentaires de la matière avait déjà recommencé et, en 1963, il était devenu clair que les particules devaient être regroupées en familles plus larges. Les philosophes de la Grèce antique attribuaient aux atomes des formes exceptionnellement régulières et symétriques. Bien que les atomes réels soient très loin de cela, l'idée que le concept de symétrie devrait jouer un rôle important en physique demeure. La classification des particules par familles reflète simplement l'existence d'une sorte de symétrie dans la nature ... " La physique des particules élémentaires dans les années cinquante était au stade de la formation. Les principaux moyens de recherche expérimentale dans cette branche de la physique étaient les accélérateurs, "envoyant" un faisceau de particules dans une cible fixe : lorsque les particules incidentes entrent en collision avec la cible, de nouvelles particules sont nées. A l'aide d'accélérateurs, les expérimentateurs ont réussi à obtenir plusieurs nouveaux types de particules élémentaires, en plus des protons, neutrons et électrons déjà connus. Les physiciens théoriciens ont essayé de trouver un schéma qui permettrait de classer toutes les nouvelles particules. Les scientifiques ont découvert des particules au comportement inhabituel (étrange). Le taux de naissance de ces particules à la suite de certaines collisions indique que leur comportement est déterminé par l'interaction forte, caractérisée par la vitesse. Les interactions fortes, faibles, électromagnétiques et gravitationnelles forment quatre interactions fondamentales qui sous-tendent tous les phénomènes. Dans le même temps, des particules étranges se sont désintégrées pendant une durée inhabituellement longue, ce qui serait impossible si leur comportement était déterminé par l'interaction forte. Le taux de désintégration des particules étranges semblait indiquer que ce processus était déterminé par une interaction beaucoup plus faible. Sur la solution de cette tâche des plus difficiles, et concentra son attention Gell Mann. Murray Gell-Mann est né le 15 septembre 1929 à New York et était le plus jeune fils des émigrants autrichiens Arthur et Pauline (Reichstein) Gell-Mann. À l'âge de quinze ans, Murry entre à l'Université de Yale. Il a obtenu en 1948 un baccalauréat ès sciences. Il a passé les années suivantes en tant qu'étudiant diplômé au Massachusetts Institute of Technology. Ici, en 1951, Gell-Mann a obtenu son doctorat en physique. Après un séjour d'un an au Princeton Institute for Basic Research (New Jersey), Gell-Mann a commencé à travailler à l'Université de Chicago avec Enrico Fermi, d'abord comme chargé de cours (1952-1953), puis comme professeur assistant (1953-1954) et comme professeur associé (1954-1955). En 1955, Gell-Mann est devenu professeur agrégé à la faculté de Caltech. Il a choisi le concept dit d'indépendance de charge comme point de départ de ses constructions. Son essence réside dans un certain regroupement de particules, soulignant leur similitude. Par exemple, malgré le fait que le proton et le neutron diffèrent par leur charge électrique (le proton a une charge de + 1, le neutron - 0), à tous autres égards, ils sont identiques. Par conséquent, ils peuvent être considérés comme deux variétés du même type de particules, appelées nucléons, ayant une charge moyenne, ou centre de charge, égale à 1/2. Il est d'usage de dire qu'un proton et un neutron forment un doublet. D'autres particules peuvent également être incluses dans des doublets similaires ou dans des groupes de trois particules appelés triplets, ou dans des "groupes" constitués d'une seule particule, appelés singulets. Le nom général d'un groupe composé d'un nombre quelconque de particules est un multiplet. Toutes les tentatives pour regrouper les particules étranges de la même manière ont échoué. En développant son schéma pour leur regroupement, Gell-Mann a découvert que la charge moyenne de leurs multiplets diffère de la charge moyenne des nucléons. Il a conclu que cette différence pourrait être une propriété fondamentale des particules étranges et a proposé d'introduire une nouvelle propriété quantique appelée étrangeté. Pour des raisons algébriques, l'étrangeté d'une particule est égale à deux fois la différence entre la charge moyenne du multiplet et la charge moyenne du nucléon + 1/2. Gell-Mann a montré que l'étrangeté est conservée dans toutes les réactions impliquant la force forte. En d'autres termes, l'étrangeté totale de toutes les particules avant l'interaction forte doit être absolument égale à l'étrangeté totale de toutes les particules après l'interaction. La conservation de l'étrangeté explique pourquoi la désintégration de telles particules ne peut pas être déterminée par l'interaction forte. Lorsque d'autres particules non étranges entrent en collision, des particules étranges sont produites par paires. Dans ce cas, l'étrangeté d'une particule compense l'étrangeté de l'autre. Par exemple, si une particule d'une paire a une étrangeté de +1, alors l'étrangeté de l'autre est de -1. C'est pourquoi l'étrangeté totale des particules non étranges, avant et après la collision, est égale à 0. Après la naissance, les particules étranges s'envolent. Une particule étrange isolée ne peut pas se désintégrer en raison de l'interaction forte si ses produits de désintégration doivent être des particules d'étrangeté nulle, car une telle désintégration violerait la conservation de l'étrangeté. Gell-Mann a montré que l'interaction électromagnétique (dont le temps caractéristique est compris entre les temps des interactions fortes et faibles) préserve également l'étrangeté. Ainsi, des particules étranges, étant nées, survivent jusqu'à la désintégration, déterminée par l'interaction faible, qui ne préserve pas l'étrangeté. Le scientifique a publié ses idées en 1953. En 1961, Gell-Mann découvrit que le système de multiplets qu'il proposait pour décrire les particules étranges pouvait être inclus dans un schéma théorique beaucoup plus général, ce qui lui permettait de regrouper toutes les particules en interaction forte en « familles ». Le scientifique a appelé son schéma la voie octuple (par analogie avec les huit attributs d'une vie juste dans le bouddhisme), puisque certaines particules étaient regroupées en familles de huit membres chacune. Le schéma de classification des particules qu'il a proposé est également connu sous le nom de symétrie octale. Bientôt, indépendamment de Gell-Man, une classification similaire des particules a été proposée par le physicien israélien Yuval Neeman. La voie octuple du scientifique américain est souvent comparée au tableau périodique des éléments chimiques de Mendeleïev, dans lequel les éléments chimiques aux propriétés similaires sont regroupés en familles. Comme Mendeleev, qui a laissé des cellules vides dans le tableau périodique, prédisant les propriétés d'éléments encore inconnus, Gell-Mann a laissé des places vacantes dans certaines familles de particules, suggérant quelles particules avec le bon ensemble de propriétés devraient remplir les "vides". Sa théorie a reçu une confirmation partielle en 1964, après la découverte d'une de ces particules. En 1963, alors qu'il était professeur invité au Massachusetts Institute of Technology, Gell-Mann a découvert que la structure détaillée de la voie octuple pouvait être expliquée en supposant que chaque particule impliquée dans l'interaction forte consistait en un triplet de particules avec une charge fractionnaire charge électrique du proton. La même découverte a été faite par le physicien américain George Zweig, qui travaillait au Centre européen de recherche nucléaire. Gell-Mann a appelé quarks les particules à charge fractionnaire, empruntant le mot à Finnegans Wake de James Joyce ("Trois quarks pour M. Mark!"). Les quarks peuvent avoir une charge de +2/3 ou -1/3. Il existe également des antiquarks avec des charges de -2/3 ou +1/3. Un neutron sans charge électrique est composé d'un quark de charge +2/3 et de deux quarks de charge -1/3 Un proton de charge +1 est composé de deux quarks de charge +2/3 et d'un quark de charge -1/3. Des quarks de même charge peuvent différer par d'autres propriétés, ce qui signifie qu'il existe plusieurs types de quarks de même charge. Ainsi, diverses combinaisons de quarks permettent de décrire toutes les particules en interaction forte. Gell-Mann a reçu le prix Nobel de physique en 1969 "pour ses découvertes liées à la classification des particules élémentaires et à leurs interactions". Ivar Waller de l'Académie royale suédoise des sciences, s'exprimant lors de la cérémonie de remise des prix, a noté que Gell-Mann "est considéré comme un scientifique de premier plan dans le domaine de la théorie des particules élémentaires depuis plus d'une décennie". Selon Waller, les méthodes qu'il propose "sont parmi les moyens les plus puissants de poursuivre les recherches en physique des particules élémentaires". Auteur : Samin D.K.
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