Lepton

Les leptons sont l'une des deux familles de particules de matière du modèle standard. En font partie l'électron et tous les neutrinos. L'autre famille est celle des quarks, dont sont faits les protons et les neutrons.

Le nom vient du grec leptós, « léger » — une appellation issue des débuts de la physique des particules, qui ne connaissait pas encore le lourd lepton tau et qui paraît aujourd'hui un peu malheureuse.

Les six leptons

Ils se présentent en trois paires, les générations :

À chacun correspond une antiparticule, soit douze au total.

Universalité leptonique

Les leptons chargés ne se distinguent presque que par la masse. Pour tout le reste, ils se comportent de la même manière : ils portent la même charge, se couplent avec la même force à l'interaction faible et au photon.

Cette universalité leptonique est l'une des affirmations les plus minutieusement vérifiées de la physique. La raison de ce soin : si l'on trouvait un écart, ce serait une fenêtre au-delà du modèle standard.

Pendant des années, des désintégrations de mésons B semblèrent montrer un tel écart — électrons et muons n'y apparaissaient pas dans la proportion attendue. Après des mesures affinées au CERN, ce constat s'est largement dissipé.

Une seconde pierre de touche est le moment magnétique du muon. Il peut être aussi bien mesuré que calculé, dans les deux cas à dix chiffres près. Savoir si mesure et calcul concordent fait l'objet d'un débat en cours depuis des années, dans lequel le versant théorique n'est pas non plus définitivement clarifié.

La différence avec les quarks

Les leptons ne portent pas de charge de couleur. Ils ne participent donc pas à l'interaction forte et peuvent être observés isolément.

Les quarks, en revanche, n'apparaissent jamais libres. Si l'on tente d'en écarter deux l'un de l'autre, la force croît avec la distance jusqu'à ce que l'énergie investie suffise à engendrer une nouvelle paire de quarks — on obtient deux particules liées au lieu de deux quarks libres.

Un électron, on peut le capturer et le mesurer. Un quark isolé, personne ne l'a jamais vu.

Comment les familles ont été découvertes

La première génération fut complète avec l'électron (1897) et la mise en évidence de l'antineutrino par Cowan et Reines en 1956.

La deuxième vint par étapes. Le muon fut découvert en 1936 dans le rayonnement cosmique et tenu d'abord pour une tout autre particule — on soupçonnait cette particule qui transmettrait les forces nucléaires. Lorsque cela se révéla faux, Isidor Rabi aurait demandé : « Qui a commandé ça ? » Le neutrino correspondant fut trouvé par Schwartz, Lederman et Steinberger en 1962.

La troisième fut ouverte par Martin Perl en 1975 avec le lepton tau. Le neutrino correspondant ne fut mis en évidence par DONUT qu'en l'an 2000 — 25 ans plus tard.

Le nombre leptonique

On attribue à chaque lepton +1, à chaque antilepton −1. Dans tous les processus observés jusqu'ici, la somme se conserve.

De surcroît, le nombre par famille sembla longtemps se conserver lui aussi. C'est précisément cette règle qu'a brisée l'oscillation des neutrinos : un neutrino muonique qui devient en chemin un neutrino tauique la viole.

Le nombre leptonique total reste ce faisant intact. Savoir s'il tombe lui aussi, c'est ce à quoi répondrait la double désintégration bêta sans neutrino.

Pourquoi trois

Pourquoi il existe exactement trois générations et non deux ou cinq, personne ne le sait. La mesure sur le boson Z dit qu'il y en a trois. Elle ne dit pas pourquoi.

Les masses sont tout aussi énigmatiques. De l'électron au tau, il y a un facteur 3 500, et en descendant jusqu'aux neutrinos, encore au moins un million. Pour ce motif, il n'existe aucune explication, seulement des conjectures.

C'est l'une des questions fondamentales ouvertes de la physique — et l'une des raisons pour lesquelles les neutrinos sont étudiés avec tant d'attention. Ils sont les représentants les plus légers et les plus singuliers de cet ordonnancement, et donc l'endroit le plus probable pour une surprise.

Termes apparentés

• Modèle standard — le cadre
• Martin Perl — la troisième famille
• Bosons W et Z — pourquoi il y en a trois
• Muons cosmiques — le muon dans la nature

Sources

• Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Leptons.