Les secrets de la matière

Des particules élémentaires à l’Univers, du big bang aux accélérateurs de particules, en passant par la radioactivité ou l’énergie atomique, Etienne Klein nous guide dans un fascinant voyage au coeur de la matière. Comment expliquer que des matériaux aussi différents que le fer, l’eau ou l’oxygène soient composés de particules identiques ? Qu’est-ce que la radioactivité ? Quels processus ont généré l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui ? En répondant à ces questions, l’auteur nous fait comprendre les lois qui s’exercent au sein de l’atome aussi bien que celles qui régissent le mouvement des galaxies.

1. L’atome : de l’idée à la découverte
L’atome dans l’Antiquité, la matière selon Aristote
Découverte expérimentale de l’atome au XXe siècle : Einstein, Jean Perrin
Expérience et modèle planétaire de Rutherford
Encadré : effet photoélectrique (Hertz, Einstein), les photons « quanta » de lumière
Modèle de Bohr : hypothèses et limites, spectre et raies atomiques
Heisenberg : notion de « saut quantique »
Encadré : constante de Planck et principe d’indétermination
Représentation de l’atome, entre intuition et réalité
Observation des atomes avec des photons

2. La radioactivité
Expérience de Becquerel : rayonnement de l’uranium
Découverte du radium par Pierre et Marie Curie
Description d’un noyau radioactif
Encadré : qu’est-ce qu’un élément chimique ? Tableau périodique de Mendeleïev
Compétition entre force nucléaire et répulsion électrique
Radioactivité alpha, bêta, gamma
Période radioactive, mort probabiliste des noyaux radioactifs, exemple de l’uranium
Encadré : qu’est-ce qu’un isotope ?
Radioactivité naturelle, potassium 40 du corps humain, définition du becquerel
Radioactivité artificielle découverte par Irène et Frédéric Joliot-Curie
Fission de l’uranium 235 : Hahn, Strassmann, Meitner et Frisch
Bombe nucléaire
Encadré : équivalence masse-énergie E=mc2, exemples de l’activité du Soleil et des collisionneurs
Encadré : Accélérateurs de particules et collisionneurs, LHC

3. Les forces de la nature
La gravitation et le postulat du graviton
L’interaction électromagnétique et les photons
L’interaction nucléaire faible et les bosons intermédiaires ; radioactivité bêta
L’interaction nucléaire forte et les gluons
Modèle standard, concepts de symétrie et d’invariance, groupes de symétrie

4. Les particules élémentaires
Les leptons : électron, muon, lepton tau, neutrinos et leurs antiparticules
Encadré : l’antimatière, équation de Paul Dirac, découverte du positron par Anderson, lien avec le principe de causalité
Définition des différents hadrons : les baryons et les mésons
Les quarks : saveur et couleur, rôle des gluons
Encadré : collisions et Univers primordial, définition de l’électronvolt, comparaison au moustique
Encadré : comparaison entre collisions macroscopiques et collisions particulaires, conservation de l’énergie
Théorème de Noether : invariance des lois physiques par translation du temps, conservation de l’énergie comme corollaire
Paradoxe du vide, propriétés du vide quantique
Détection du boson de Higgs au CERN, redéfinition du concept de masse
Implications du concept de symétrie sur celui de masse ; idée de Brout, Englert et Higgs
Présentation du LHC
Le boson de Higgs en cosmologie : mécanisme de Higgs

5. Les questions ouvertes de la physique des particules
Contradictions internes dans le modèle standard, problème de la gravitation
Principes de la supersymétrie, non encore observée
Neutrino et antineutrino, entre théorie de Dirac et théorie de Majorana, désintégration bêta
Dissymétrie matière – antimatière, hypothèse de Sakharov
Nature de la matière noire, mirages gravitationnels
Expansion accélérée de l’Univers, supernovae, énergie noire et constante cosmologique
Théorie des supercordes