Il existe deux grandes catégories de particules subatomiques : les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules que nous considérons comme des trucs : des leptons comme l’électron, le neutrino et leurs cousins, et des quarks comme le quark up et d’autres dans sa grande famille. Les bosons de jauge sont les particules qui assurent la médiation des quatre forces fondamentales de la nature : les forces nucléaires faibles et fortes, l’électromagnétisme et la gravité. Ceux-ci incluent le photon familier et ses cousins beaucoup moins fréquemment observés, les bosons W et Z, les gluons et (les physiciens s’y attendent) le graviton, la particule très recherchée censée médier les interactions gravitationnelles.
Il est important de comprendre la différence entre les particules subatomiques et les particules fondamentales. Fondamental signifie que la particule n’a pas de constituants plus petits ; c’est fondamental. Toutes les particules subatomiques ne sont pas fondamentales, bien que toutes les particules fondamentales connues soient subatomiques, c’est-à-dire plus petites que les atomes. Par exemple, les protons et les neutrons, particules subatomiques qui composent l’atome, sont des particules composites plutôt que fondamentales, constituées de quarks et de gluons encore plus petits. Les particules exotiques comme le neutrino tau ou les muons sont subatomiques car elles sont plus petites que les atomes, mais il est important de se rappeler qu’elles ne font pas partie des atomes qui composent les structures visibles de notre univers.
Les particules subatomiques sont si nombreuses et variées que les physiciens ont utilisé le terme zoo de particules pour les décrire. Dans le domaine des leptons, il existe 3 types d’électrons – électron, muon et tau – 3 types de neutrinos, et leurs antiparticules, soit 12 leptons. Il existe quatre bosons de jauge connus : le photon, les bosons W et Z et le gluon. Deux autres bosons, qui existent presque certainement, mais n’ont pas encore été observés, incluent le boson de Higgs et le graviton. Cela porte le total des particules fondamentales à 18. Ajoutez les quarks haut, bas, bas, haut, étrange et charme, ainsi que leurs antiquarks, et vous obtenez 30 particules fondamentales subatomiques.
Cependant, ce n’est pas tout. Vous vous souviendrez peut-être qu’un proton ou un neutron est constitué de trois quarks. Ceux-ci comprennent deux des quarks up et down et un des quarks restants, collés avec des gluons dans le noyau de l’atome. Cependant, ce n’est pas la seule configuration de quarks possible – juste la plus stable. Si vous pouviez en quelque sorte ramasser des particules fondamentales à volonté et les coller ensemble dans des configurations arbitraires, vous pourriez créer des milliers de nouvelles particules subatomiques.
Des centaines de ces particules subatomiques ont en fait été observées dans des expériences avec des accélérateurs de particules. Ils comprennent les mésons, qui n’ont que deux quarks, et les hadrons, qui en ont trois comme des protons et des neutrons. Il y a aussi les soi-disant boules de colle ou gluonium, des particules subatomiques composées uniquement de gluons, et le présumé tétraquark, une espèce de particule subatomique qui serait composée de quatre quarks. Les pentaquarks et au-delà existent-ils ? Peut-être, mais pour les trouver, il faudrait un appareil expérimental bien supérieur à notre meilleur actuel.