Comme pour les premiers leptons dits « exotiques » (le positron, découvert par Anderson en 1932, et le muon, identifié en 1936), les tout premiers hadrons distincts de la matière ordinaire (protons et neutrons) ont été mis en évidence à travers l’observation des rayons cosmiques.
Avant l’émergence des grands accélérateurs de particules, les rayons cosmiques représentaient l’unique source d’événements à haute énergie permettant d’explorer la structure de la matière au-delà de l’atome. C’est dans ce contexte que furent découvertes des particules inattendues, dont certaines allaient profondément transformer notre compréhension des interactions fondamentales.
Dans cette partie, nous allons tout d’abord nous intéresser à la découverte des pions, qui se sont révélés être les vecteurs de l’interaction nucléaire forte entre nucléons, tels que l’avait initialement pressenti Yukawa dès la fin des années 1930. Leur identification expérimentale au début des années 1940 a été une étape décisive dans la physique des particules.
Nous aborderons ensuite la découverte des kaons, particules bien plus énigmatiques, qui furent les premiers hadrons identifiés contenant un quark autre que les quarks up ou down. Leur comportement étrange, à la fois par leur mode de production et leur durée de vie, a conduit à l’introduction du nombre quantique d’étrangeté, et a joué un rôle central dans le développement de la classification des hadrons, dans l’élaboration du modèle des quarks, ainsi que dans la compréhension fine des interactions faible et forte.
Les rayons cosmiques : une fenêtre naturelle sur le monde subatomique
Avant l’apparition des grands accélérateurs de particules dans les années 1950, les physiciens ne disposaient d’aucun moyen artificiel pour produire des collisions suffisamment énergétiques afin d’explorer la structure profonde de la matière. La seule source naturelle de particules de très haute énergie était alors constituée par les rayons cosmiques.
On désigne sous ce nom un flux de particules provenant de l’espace, principalement des protons et des noyaux atomiques accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Leur origine est multiple : certaines proviennent du Soleil, d’autres d’explosions de supernovæ, de pulsars ou de phénomènes astrophysiques extrêmement violents situés bien au-delà de notre galaxie. Lorsqu’elles pénètrent dans l’atmosphère terrestre, ces particules entrent en collision avec les noyaux des atomes de l’air et produisent de véritables gerbes de particules secondaires : électrons, muons, pions, kaons, neutrinos, photons… C’est dans ces cascades que furent découvertes les premières particules « exotiques » de la physique moderne.
Mais observer ces particules représentait un défi considérable, car elles sont invisibles à l’œil nu. Les physiciens ont donc développé des dispositifs capables de révéler indirectement leur passage à travers la matière. Les chambres à brouillard, puis les chambres à bulles et les émulsions photographiques, reposaient toutes sur le même principe général : lorsqu’une particule chargée traverse un milieu, elle ionise les atomes qu’elle rencontre sur sa trajectoire. Cette ionisation laisse une trace visible, sous forme de gouttelettes, de bulles ou de grains photographiques, permettant de reconstruire la trajectoire de la particule et d’étudier ses propriétés.
Ces techniques ont joué un rôle fondamental dans la naissance de la physique des particules. Bien avant les détecteurs électroniques modernes, elles ont permis de photographier les premières désintégrations de particules instables et de mettre en évidence des phénomènes totalement inattendus. Les clichés obtenus dans les rayonnements cosmiques constituent ainsi les premières « images » du monde subatomique et ont ouvert la voie à la découverte des hadrons, puis à l’élaboration progressive du modèle des quarks et du Modèle Standard.
Découverte des pions (1947)
Comme on l’a déjà vu en introduisant la théorie quantique des champs, Yukawa a proposé en 1935 un modèle d’interaction nucléaire forte permettant de garantir la cohésion des noyaux atomiques. Dans ce modèle, l’interaction nucléaire forte est induite par l’échange de mésons.
Depuis cette proposition de l’existence de mésons, les scientifiques cherchaient à prouver expérimentalement l’existence de cette particule dans les rayons cosmiques. Comme on l’a vu dans le cadre de la découverte du muon, les physiciens ont dans un premier temps pensé que le muon pouvait être cette particule en raison de sa masse très proche de celle qu’avait prédit Yukawa dans son modèle théorique. Mais la communauté scientifique se rendit compte que le muon ne contribuait pas à l’interaction nucléaire forte. Comme on l’a vu dans le chapitre sur cette particule, le muon n’a en fait rien à avoir avec un hadron, c’est un lepton électronique, donc du même type que les électrons, et qui diffère de ces derniers par sa saveur, et donc sa masse et sa durée de vie.
Ce n’est qu’en 1946[1] que les mésons pi, ou pions, ont été découverts lors de l’observation des rayons cosmiques à haute altitude par le physicien italien Giuseppe Occhialini en collaboration avec trois autres physiciens de l’université de Bristol en Grande-Bretagne, dont le physicien britannique Cecil Powell. Différents films photographiques très particuliers ont été placés au sommet de plusieurs montagnes dans le monde, dont le pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Ces nombreux films photographiques ont été impressionnés par les rayons cosmiques puis dépouillés par une très large communauté de chercheurs et chercheuses.
Cette technique de films photographiques a été mise au point par Powell au milieu des années 1940. Il obtiendra d’ailleurs le prix Nobel de physique en 1950 pour sa contribution au développement de cette technique et à la découverte du méson pion. Le principe de ces plaques photographiques est assez proche de celui des chambres à brouillard et des chambres à bulles, dans la mesure où il repose aussi sur l’ionisation de molécules au passage de la particule chargée. Ces plaques photographiques sont constituées d’une émulsion de bromure d’argent et de gélatine. Les particules chargées qui traversent l’émulsion dissocient le bromure d’argent par ionisation. Après développement des plaques photographiques, on observe au microscope la trajectoire de la particule ionisante via sa trace sur la plaque.
Un des clichés pris à cette occasion est présenté ci-dessus. On va essayer d’en proposer une lecture. Sur ce cliché seules les particules chargées apparaissent. On constate des ruptures franches dans la propagation des particules. En fait, pour garantir la conservation des impulsions, ces ruptures sont nécessairement des transformations de particules avec production de particules neutres, qui n’apparaissent pas sur le cliché. La seule particule neutre pouvant remplir les conditions cinématiques de cette observation est le neutrino qui a été postulé en 1930, mais dont l’existence n’avait pas encore été prouvée expérimentalement en 1947.
Sur ce type de clichés, ou ceux obtenus dans les chambres à bulles ou à brouillard, on peut également estimer la durée de vie des particules en mesurant la longueur des trajets parcourus entre deux désintégrations, et avoir une idée de la masse sur la base de l’épaisseur des traits. En général, mais ce n’est pas le cas ici, on peut appliquer des champs magnétiques, ce qui permet de définir si les particules chargées ont une charge positive ou négative, en fonction de l’orientation de la trajectoire. Mais surtout, on peut avoir des informations très importantes sur l’impulsion des particules en mesurant le rayon de courbure (la valeur absolue de la charge électrique étant toujours la même). Mais encore une fois ce n’est pas le cas ici.
Que peut-on alors déduire de ce cliché ? Que les deux premières particules ont une durée de vie limitée et qu’elles ont un peu près la même masse. Les muons avaient déjà été observés et correspondent à la deuxième partie de la « trajectoire ». La première branche est en fait la manifestation d’un pion, la deuxième d’un muon, et enfin la dernière d’un électron. A chaque changement de branche la désintégration de la particule se traduit par l’émission d’un neutrino.
Ce cliché est en fait très représentatif des cascades de désintégration des rayons cosmiques. Dans un premier temps une désintégration de pion en muon, puis dans un deuxième temps une désintégration du muon en électron suivant les deux équations suivantes :
\[\mathbf{Première\ étape}\ :\ \pi^{+}\ \rightarrow \mu^{+} + \vartheta_{\mu}\ ou\ \pi^{-}\ \rightarrow \mu^{-} + {\overline{\vartheta}}_{\mu}\ avec\ \vartheta_{\mu}\ le\ neutrino\ muonique\ \]
\[\mathbf{Deuxième\ étape}\ :\ \mu^{+} \rightarrow e^{+} + \vartheta_{e} + {\overline{\vartheta}}_{\mu}\ \ \ ou\ \ \mu^{-} \rightarrow e^{-} + {\overline{\vartheta}}_{e} + \vartheta_{\mu}\ \ \]
On peut également mentionner qu’il existe un pion neutre, de fait beaucoup plus difficile à détecter. Comme pour toutes les particules neutres, ces pions n’apparaissent ni sur les plaques photographiques, ni dans les chambres à bulles, et la détection est en fait nécessairement indirecte. En fait le pion neutre a un processus de désintégration très particulier puisqu’il se désintègre en deux photons gamma. La détection des pions neutres au travers de ces rayons gamma a été faite en 1950.
La découverte expérimentale du pion a constitué une avancée majeure dans la validation du modèle théorique de Yukawa, en identifiant enfin le médiateur de l’interaction nucléaire forte au sein des noyaux atomiques. Elle semblait, à l’époque, compléter le puzzle des particules fondamentales connues : proton, neutron, électron, neutrino, muon, et désormais pion. On aurait pu croire que la structure de la matière était enfin comprise.
Mais cette impression de complétude allait rapidement être ébranlée. D’une part, l’existence du muon, déjà mystérieuse car sans rôle clair dans la structure nucléaire, laissait planer un doute. Et surtout, dès la fin de l’année 1947, de nouveaux résultats allaient remettre en question cette vision simplifiée : les physiciens identifièrent, toujours dans les rayons cosmiques, des particules aux comportements inattendus, les kaons. Ces nouvelles particules allaient jouer un rôle déterminant dans l’exploration de la physique des hadrons et conduire à l’introduction de nouveaux concepts fondamentaux, comme l’étrangeté.
Découverte des kaons (1947)
La découverte des kaons a également été une étape marquante dans l’histoire de la découverte des hadrons, parce qu’elle a conduit à l’introduction d’un nouveau nombre quantique, l’étrangeté, et surtout parce que l’étude des kaons a permis de comprendre de nombreuses choses sur la nature fondamentale des interactions faible et forte. Mais, avant de parler de leur découverte, on va commencer par présenter ces nouvelles particules kaons. Il est en effet beaucoup plus facile de parler a posteriori de leur découverte, en sachant quelle est leur composition en quarks et leurs propriétés.
Les kaons sont des mésons, ils sont donc constitués d’un quark ou d’un antiquark. La famille des kaons recouvre l’ensemble des mésons composés d’un quark strange noté s (ou d’un antiquark) et d’un antiquark up ou down (ou d’un quark). On présente leurs propriétés dans le tableau ci-dessous.
| Type d’hadron | Dénomination | Constitution (quarks) | Masse (MeV) | Durée de vie (s) | Spin |
|---|---|---|---|---|---|
| Méson (boson) | Kaon K+ | \[u\overline{s}\] | 494 | 10-8 | 0 |
| Kaon K– | \[s\overline{u}\] | 494 | 10-8 | 0 | |
| Kaon K0 (neutre) | \[d\overline{s}\] | 498 | 0 |
Vous noterez dans ce tableau que K– est l’antiparticule de K+. Il existe évidemment également une antiparticule du kaon neutre, ce qui fait qu’en tout, c’est-à-dire en comptabilisant l’ensemble des particules et des antiparticules, il existe quatre kaons.
Pour définir la durée de vie du kaon neutre, c’est un peu plus compliqué que pour les kaons K+ et K–. Il faut introduire une propriété liée à l’étrangeté qui est qu’une particule et son antiparticule doivent nécessairement avoir une étrangeté différente, si elles ont la même charge électrique. Ainsi, le kaon neutre ne peut pas être son antiparticule et il faut alors nécessairement qu’il existe deux kaons neutres qui diffèrent par leur étrangeté.
Pour identifier ces deux kaons neutres, il faut revenir un peu à la mécanique quantique et se rappeler qu’un système quantique peut se trouver dans une superposition de différents états quantiques. Il existe ainsi deux états superposés que l’on appelle respectivement KL (L pour long) et KS (S pour short), terminologie en lien avec leur durée de vie différente.
| Type d’hadron | Dénomination | Constitution (quarks) | Masse (MeV) | Durée de vie (s) | Spin |
|---|---|---|---|---|---|
| Méson (boson) | Kaon K0 (neutre) | \[d\overline{s}\] | 498 | 0 | |
| Kaon KL | \[\frac{1}{\sqrt{2}}\left( d\overline{s} + s\overline{d} \right)\] | 498 | 5×10-8 | 0 | |
| Kaon KS | \[\frac{1}{\sqrt{2}}\left( d\overline{s} – s\overline{d} \right)\] | 498 | 9×10-11 | 0 |
Venons-en maintenant à la découverte proprement dite des premiers kaons. On est dans les années 1940, et de nombreux physiciens recherchent au sein des rayons cosmiques la présence du méson prédit par Yukawa pour assurer l’interaction nucléaire forte. Comme on l’a déjà évoqué, on pensait dans un premier temps que c’était le muon, et on finira par découvrir réellement ce méson d’interaction en 1947 avec le pion. Mais entretemps, en 1943, le physicien français Louis Leprince-Ringuet découvrit dans ce cadre (recherche de la particule de Yukawa via l’observation des rayons cosmiques) une particule chargée plus massive que ce qui était attendu par Yukawa.
Cette nouvelle particule ne pouvait pas être un muon, ni le méson de Yukawa, mais pour autant il n’était pas communément admis que ce soit un autre méson de masse plus importante. En effet certains physiciens, et en particulier Hans Bethe arguaient que compte tenu des incertitudes de mesures sur la masse, il pouvait s’agir d’un proton. Il s’avérera plus tard que cette particule découverte par Leprince-Ringuet était bien un kaon chargé.
Une fois n’est pas coutume, la découverte officielle du kaon s’est d’abord faite avec la découverte de la particule neutre et non avec une des deux particules chargées. Les physiciens américains George Rochester et Clifford Butler publièrent en 1947[2] deux clichés de chambres à brouillard sur lesquels ils observèrent des traces chargées formant un V (cf. clichés ci-dessous).
Ils conclurent simplement dans un premier temps à l’existence d’une particule neutre inconnue qui se désintégrait en particules secondaires. La masse estimée pour cette nouvelle particule neutre était environ la moitié de la masse d’un proton ou d’un neutron. Dans les faits, cette particule neutre s’est désintégrée en deux pions chargés, mais ce n’était évidemment pas formulé comme cela en 1947.
Cette observation sera confirmée en 1949 et plus largement au début des années 1950. A noter qu’à ce moment-là ces nouvelles particules étaient simplement intitulées particules en V, du fait de la nature de la trace laissée dans les chambres à brouillard ou sur les plaques photographiques. Les différentes confirmations de la découverte d’une nouvelle particule conduiront à introduire en 1953 la terminologie de méson L pour désigner les pions et de méson K pour désigner les mésons de masse intermédiaire entre les pions et les nucléons. Mais sur la seule base de l’observation des rayons cosmiques, il était très difficile pour les physiciens de donner une explication à l’existence de ces nouvelles particules, et d’aller au-delà de ces simples constatations. La véritable étude des kaons commencera en fait avec l’avènement des accélérateurs de particules dans le milieu des années 1950.
Un point important qu’il faut toujours avoir en tête en physique quantique, c’est le caractère probabiliste des phénomènes. Ceci est valable également pour les mécanismes de désintégration des particules. Ainsi pour une même particule il peut exister différents modes de désintégration. Pour illustrer cela, on peut prendre l’exemple du kaon K+ qui possède six modes différents de désintégration avec des probabilités variées. Les trois plus probables sont :
\[K^{+} \rightarrow \mu^{+} + \vartheta_{\mu}\ (64\%)\ ;\ K^{+} \rightarrow \pi^{+} + \pi^{0}\ (21\%)\ ;\ K^{+} \rightarrow \pi^{+} + \pi^{+} + \pi^{-}\ (6\%)\ \]
Ce qui a fait le principal intérêt du kaon, c’est l’étude du mécanisme d’oscillation entre K0 et son antiparticule, des processus de désintégration des états superposés KL et KS qui interagissent à la fois via l’interaction forte et l’interaction faible. L’étude de la désintégration du kaon K+ a par ailleurs conduit en 1964 à la constatation de la violation de la symétrie CP par l’interaction faible. C’est un peu complexe, et on y reviendra lors de la présentation de l’interaction électrofaible dans le chapitre consacré au modèle standard.
Les kaons constituent ainsi les premières particules étranges découvertes, étranges au sens moderne du terme, c’est-à-dire contenant au moins un quark strange. Ils ont permis d’introduire la notion d’étrangeté, un nouveau nombre quantique nécessaire pour expliquer leur production par l’interaction forte et leur désintégration via l’interaction faible. L’étude des kaons a également été déterminante pour la compréhension de la violation de symétrie CP, révélée en 1964 à travers les désintégrations des états neutres \(K_{L}^{0}\) et \(K_{S}^{0}\).
Mais les kaons ne sont que les premiers membres d’une famille plus large de particules étranges. Très vite, dans les années 1950, d’autres hadrons contenant des quarks s ont été découverts. Il s’agissait cette fois de baryons étranges, que l’on appelle hypérons. Ces découvertes marquent une étape cruciale dans l’émergence progressive du modèle des quarks, que nous allons maintenant explorer à travers l’étude de ces nouvelles particules.
Conclusion
La découverte des pions et des kaons dans les rayonnements cosmiques a marqué une transition décisive dans l’histoire de la physique des particules. Jusque-là, la matière semblait pouvoir être décrite à partir d’un petit nombre de constituants relativement simples : proton, neutron, électron et photon. Mais l’exploration des phénomènes à haute énergie révéla progressivement une réalité beaucoup plus riche, peuplée de particules instables, massives et aux comportements parfois déroutants. Les rayons cosmiques, véritables accélérateurs naturels, ouvrirent ainsi la première fenêtre expérimentale sur ce nouveau monde subatomique.
La découverte du pion constitua d’abord une validation spectaculaire de l’intuition de Yukawa : l’interaction nucléaire forte pouvait effectivement être comprise comme résultant de l’échange d’une particule médiatrice. Pour la première fois, une théorie des interactions fondamentales trouvait une confirmation directe dans l’observation d’une nouvelle particule prédite théoriquement. Cette réussite renforça l’idée que les forces fondamentales pouvaient être décrites dans le cadre de la théorie quantique des champs.
Mais l’apparition des kaons et des autres particules étranges allait rapidement montrer que cette nouvelle physique était bien plus complexe qu’attendu. Ces hadrons présentaient des propriétés paradoxales : produits abondamment par l’interaction forte, ils se désintégraient pourtant lentement par interaction faible. Pour comprendre ce comportement, les physiciens durent introduire de nouveaux concepts comme l’étrangeté, les nombres quantiques internes et les symétries de saveur. Ces idées préparèrent directement la grande réorganisation conceptuelle des années 1960 : la classification des hadrons, la voie octuple de Gell-Mann et Ne’eman, puis finalement le modèle des quarks.