principes de ces jeux
L’ensemble des particules élémentaires sont représentées par des cartes à jouer. Mis à part les jeux « Collisions », « Trio des particules » et « Quark Clash » développés pour expliquer les mécanismes qui ont lieu lorsque deux particules se rencontrent dans un collisionneur, les autres jeux (« Memory des particules« , « 7 familles » et « Quark Poker ») se pratiquent en utilisant les mêmes règles de base des jeux classiques du Memory, des 7 familles et du Poker avec cependant la différence importante que les combinaisons de 2 à 5 cartes, ainsi que les familles, intervenant dans ces jeux, ont un sens en physique des particules.
Les jeux « Collisions », « Quark Poker » et « Trio des particules » peuvent se pratiquer avec un paquet de 32 ou bien de 64 cartes. Les jeux avec 32 cartes sont plus simples et ne contiennent que deux types d’interactions (électromagnétique et faible) entre particules élémentaires. La troisième interaction (forte) est présente dans le jeu avec 64 cartes.
Le noyau de base de la plupart de ces jeux est l’interaction, dite ponctuelle, entre trois particules élémentaires en un même point de l’espace et du temps. Pour s’initier à la réalisation de telles interactions élémentaires, le jeu interactif « Quark Clash » est approprié. Il contient notamment un logiciel d’entrainement qui vous permet de vérifier si vous avez compris les règles pour former ces triplets.
La matière qui nous constitue et nous entoure est formée à partir d’objets plus petits: cellules, molécules, atomes. L’interaction électrique permet de lier différents de ces éléments afin d’en former de plus gros et plus complexes. L’atome, lui même, est formé d’un noyau extrêmement petit (moins d’1/10 000 de la taille totale) autour duquel s’agitent des électrons. C’est également l’interaction électromagnétique qui assure la cohésion des atomes.
Les noyaux sont eux-mêmes formés de protons et de neutrons liés par un autre type d’interaction: l’interaction forte. Ce qualificatif est utilisé car elle permet de réunir des protons et l’emporte ainsi sur l’interaction électromagnétique qui les repousse. L’interaction forte est similaire pour les protons et les neutrons; elle ne dépend pas de la charge électrique.
C’est en 1911 que Rutherford, Marsden et Geiger ont réalisé des expériences montrant qu’il existe un noyau au centre des atomes. Le proton, noyau de l’hydrogène, a été désigné ainsi aux alentours de 1920. Le neutron libre a été découvert en 1932 par J. Chadwick. Libre, le neutron est instable et se désintègre en émettant un proton. Par contre, les neutrons présents dans les atomes sont stables à condition que le noyau qui les contient ne puisse pas se désintégrer en éléments plus légers.
E. Rutherford (à droite) avec H. Geiger (inventeur du compteur bien connu) posent à côté de l’appareillage avec lequel ils ont étudié la diffusion des particules alpha, entre 1907 et 1913. Ils ont montré que les particules alpha étaient des noyaux d’Hélium, doublement chargés et les ont utilisées pour prouver l’existence d’un noyau extrêmement petit au centre des atomes. Ca. 1908. Credit: AIP Emilio Segre Visual Archives, Physics Today Collection.
Il faudra attendre 1967 pour qu’une expérience menée à Stanford (USA) montre que le proton contient des particules chargées élémentaires : les quarks, sensibles à l’interaction forte. Il existe une autre catégorie de particules élémentaires: les leptons qui sont insensibles à cette interaction. L’électron, découvert en 1897, appartient aux leptons.
Le but des jeux proposés est de faire connaitre l’ensemble des constituants de la matière. Seulement deux quarks et l’électron sont nécessaires pour expliquer la matière qui nous entoure. Cependant il existe de nombreux autres constituants élémentaires (12 au total), dont la plupart sont instables, mais qui ont joué un rôle important aux premiers instants du Big-Bang de création de l’Univers. Pour pouvoir les étudier il faut les créer lors de collisions, engendrées dans des accélérateurs de particules. Étudier l’infiniment petit est ainsi un moyen de comprendre la genèse de l’Univers.
Ces jeux permettent également de comprendre comment les constituants élémentaires interagissent. Dans le monde de l’infiniment petit, les forces correspondent à l’échange d’autres particules élémentaires. Par exemple l’interaction entre deux particules chargées correspond à l’échange de photons. Il existe deux autres interactions. L’interaction faible qui est transmise par trois bosons (W+, W– et Z0) et l’interaction forte, déjà évoquée, issue de l’échange de 8 gluons. Il existe ainsi 12 particules élémentaires qui transmettent les forces. Une dernière particule, le boson H, permet d’expliquer comment les particules élémentaires peuvent avoir une masse.
Enfin, pour toute particule, il existe une antiparticule ayant les mêmes masse et durée de vie et des charges opposées.
Trajectoire d’un positron issu d’un rayon cosmique, enregistrée en 1932 par C.D. Anderson, dans une chambre à brouillard (de petites gouttelettes se créent sur son passage). Afin de mesurer le signe de la particule, le dispositif comprend une plaque métallique (6mm de plomb) dans laquelle le positron perd une partie de son énergie. Un champ magnétique, perpendiculaire au plan de la photo, courbe la trajectoire vers la droite ou la gauche suivant que la particule est positive ou négative. On peut observer que la courbure de la trajectoire est plus élevée en bas de la photo ce qui indique que la particule vient du haut de la chambre et perd une partie de son énergie en traversant le plomb.