Quark

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Quarks
Propriétés générales
Classification Fermions
Composition Élémentaire
Propriétés physiques
Masse • u : 1,5 à 4,0 MeV.c-2

• d : 4 à 8 MeV.c-2
• s : 80 à 130 MeV.c-2
• c : 1,15 à 1,35 GeV.c-2
• b : 4,1 à 4,4 GeV.c-2
• t : 173,34 ± 0,76 GeV.c-2

Charge électrique • u : +2/3 e : +1,07×10-19 C

• d : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• s : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• c : +2/3 e : +1,07×10-19 C
• b : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• t : +2/3 e : +1,07×10-19 C

Spin 1/2
Durée de vie -

Un quark est une particule élémentaire et un constituant de la matière observable. Les quarks se combinent entre eux pour former des hadrons, particules composites dont les protons et les neutrons en sont des exemples connus, parmi bien d'autres. En raison d'une propriété dite de confinement les quarks ne peuvent être isolés ou observés directement; on les trouve dans certains hadrons tels les baryons ainsi que dans les mesons. En raison du confinement, tout ce que l'on sait des quarks provient indirectement de l'observation des hadrons.

Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière. Ce sont des particules de spin 1⁄2, des fermions en raison du théorème spin-statistique et ils sont les plus petites particules connues à ce jour dans la matière.

Description[modifier | modifier le code]

La théorie des quarks a été formulée par le physicien Murray Gell-Mann, qui s'est vu attribuer le prix Nobel de physique en 1969.

Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel de physique pour avoir découvert les quarks.

Le terme « quark » provient d'une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce : « Three Quarks for Muster Mark ! ».

Propriétés[modifier | modifier le code]

Ces particules de spin 1/2 sont de six sortes, appelées saveurs, auxquelles on a donné des noms poétiques. Les noms anglais restent plus utilisés. Les quarks possèdent une charge électrique fractionnaire de la charge élémentaire :

Quark Nom anglais (français) Fraction de charge électrique élémentaire
d Down (Bas) −1/3
u Up (Haut) +2/3
s Strange (Étrange) −1/3
c Charm (Charme) +2/3
b Bottom, Beauty (Beau) −1/3
t Top, Truth (Vérité) +2/3

Parenthèse historique[modifier | modifier le code]

Originellement, les noms des quarks b (bottom, « tout en bas ») et t (top, « tout en haut »), ont été choisis par analogie avec ceux des quarks u (up, « vers le haut ») et d (down, « vers le bas »). Très rapidement, ces quarks ont cependant été renommés en beauty (« beauté ») et truth (« vérité »), noms qui sont devenus les standards. Cependant, l'absence de preuve expérimentale du quark t (mis en évidence seulement en 1994) relança le doute quant à la validité du modèle des quarks, et l'adage « the quark model has no truth » (« le modèle des quarks n'a pas de vérité/n'est pas vrai ») conduisit à la raréfaction de l'utilisation du couple de termes beauty/truth en faveur des termes bottom/top initialement introduits[1]. Malgré l'existence avérée du quark t, l'usage actuel privilégie les noms bottom et top.

Couleur[modifier | modifier le code]

Les quarks possèdent également un autre nombre quantique que l'on a nommé charge de couleur. Un quark peut être[note 1] « rouge », « vert » ou « bleu », mais il peut changer de couleur en échangeant un gluon (voir plus bas).

À chaque quark correspond une antiparticule, nommée anti-quark, de même masse, mais de charge électrique opposée et de charge de couleur complémentaire, appelée anti-couleur[note 2] : un anti-quark peut ainsi être « anti-rouge », « anti-vert » ou « anti-bleu ».

La couleur ici est une analogie qui rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark seul. À cause du phénomène de confinement des quarks, on ne peut observer que des particules « blanches », c'est-à-dire formée par exemple de trois quarks de couleurs différentes : un rouge, un bleu et un vert (ce qui donne un baryon) — qui en synthèse additive des couleurs donnent une lumière blanche — , ou de deux quarks de couleurs complémentaires, comme rouge et anti-rouge (ce qui donne un méson).

La charge « de couleur » est la source de l'interaction nucléaire forte : l'interaction nucléaire entre les nucléons et plus généralement entre les hadrons est dérivée de l'interaction « de couleur ». Comme l'interaction entre atomes et entre molécules est elle-même dérivée de l'interaction électromagnétique entre protons et électrons.

Cette interaction « de couleur » est de type tripolaire, alors que l'interaction électromagnétique est dipolaire (+ et -). C'est ainsi que l'on a choisi de les nommer par rouge-vert-bleu, car comme la neutralité est la norme pour l'électromagnétisme, la résultante neutre « blanche » est la norme pour les particules constituées par cette interaction.

Génération[modifier | modifier le code]

À l'instar des leptons, les quarks du modèle standard peuvent être groupés par génération :

Génération Particule de charge fractionnaire −1/3 Particule de charge fractionnaire +2/3
1re génération Down (d) Up (u)
2e génération Strange (s) Charm (c)
3e génération Bottom (b) Top (t)

La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (les neutrons (de charge électrique nulle) sont constitués de deux quarks Down et d'un quark Up, et les protons sont formés de deux quarks Up et d'un quark Down). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds, forment des particules toutes instables, et se désintègrent en quarks de première génération.

Particules composites, notion de hadron[modifier | modifier le code]

Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposé Gell-Man et Néman en 1964 par des considérations de symétrie liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par l'étude des diffusions profondément inélastiques d'électrons sur des nucléons, qui mit en évidence trois centres diffuseurs (Feynman en 1968). Les quarks ont cette caractéristique que l'on ne les observe jamais seuls. En effet, ils sont toujours groupés de telle sorte que :

Un proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down.
  • la somme de leurs charges électriques est un multiple entier de la charge élémentaire (en général 0, comme pour le neutron, et 1, pour le proton. On rappelle que l'électron n'est pas composé de quarks, mais est un lepton) ;
  • la somme de leurs charges de couleur est blanche (selon les règles de la synthèse additive des couleurs, c’est-à-dire composé de quarks des trois couleurs. Mais, il est aussi possible de trouver des paires quarks—anti-quarks, de couleurs complémentaires qui s'annulent).

Les quarks ne peuvent exister de manière isolée (phénomène de confinement) et s'assemblent ainsi en hadrons. Il en existe deux sortes principales, distinguées par leur nombre de quarks principaux, dits « quarks de valence » :

  • assemblage d'un quark et d'un anti-quark : les mésons, qui ont un spin entier et sont donc des bosons ;
  • assemblage de trois quarks des trois couleurs différentes : les baryons, qui ont un spin demi-entier et sont donc des fermions.

D'autres assemblages de quarks, tels les pentaquarks, formés de cinq quarks (deux paires Up-Down et un anti-Strange) ce qui désigne en fait quatre quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003[2] mais leur existence reste controversée[3].

En plus des quarks de valence, les hadrons sont composés d'une « mer » de paires quark-antiquark qui participent aux propriétés globales du hadron, et en particulier à sa masse.

Note : À l'extrême, on peut considérer que les étoiles étranges (étoiles à quarks) sont des assemblages macroscopiques de quarks (U ; D et S) liés par l'interaction de couleur, avant de l'être par la gravité comme ça l'est pour les étoiles à neutrons. Ces dernières ont une masse (théorique) minimale de 0,09 masse solaire[4], alors que théoriquement les étoiles à quarks n'auraient pas de masse minimale. Les étoiles à quarks sont à la limite entre observation et théorie.

Ces associations de quarks ont été évoquées pour rendre compte de la matière sombre de l'Univers. Elles auraient été formées dans les premiers instants du Big Bang, mais leur conservation aurait été problématique de par les conditions régnant alors.

Interaction des quarks, notion de gluon[modifier | modifier le code]

Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique qui a une structure voisine, mais plus compliquée[note 3], de celle de l'électrodynamique quantique. La charge de couleur pour l'interaction forte joue alors un rôle analogue à celui de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique.

Le proton est un baryon constitué de deux quarks up et d'un seul quark down. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1.
Le neutron est aussi un baryon composé de deux quarks down et d'un seul quark up. Sa charge électrique est de: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 soit 0. Il est donc neutre.

Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leur masse extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.

Le comportement des quarks lors par exemple de la transmutation d'un proton en neutron (ou l'inverse) laissent soupçonner aux chercheurs que les quarks ne sont pas le stade ultime de la matière et qu'ils seraient eux aussi composés d'entités plus petites nommées préons[5].

Les gluons[modifier | modifier le code]

Les médiateurs de l'interaction forte sont nommés gluons. À la différence de l'électrodynamique quantique dans laquelle les photons sont neutres électriquement, les gluons sont également colorés et interagissent donc entre eux. Ils sont au nombre de huit ce qui correspond à la dimension du groupe SU(3) utilisé pour décrire mathématiquement l'interaction forte.

Remarques[modifier | modifier le code]

Masses des quarks : les masses indiquées des quarks U et D sont uniquement issues de l'influence du champ de Higgs. On prend également en compte l'influence du champ de gluons qui est responsable de près de 300 MeV.c-2 par quark, soit la quasi-totalité de la masse. En effet, quand on divise la masse d'un nucléon par trois (nombre de quarks) on trouve bien ~300 MeV.c-2 ; et seulement 4 à 8 MeV.c-2 pour le quark D et 1,5 à 4 MeV.c-2 pour le quark U.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Mathématiquement, les quarks se transforment dans la représentation \bold{3} du groupe de jauge SU(3) utilisé pour la chromodynamique quantique.
  2. Mathématiquement, les anti-quarks se transforment dans la représentation \bold{\bar{3}}. du groupe de jauge SU(3) utilisé pour la chromodynamique quantique.
  3. L'électrodynamique quantique est basée sur le groupe de jauge U(1) qui est abélien. La chromodynamique quantique est basée sur le groupe de jauge SU(3) qui est non abélien et rend l'étude extrêmement plus complexe notamment à cause du problème non résolu du confinement.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) What kinds of quarks are protons and neutrons made of? What was the old name for the Top and Bottom quark? FAQ sur le site web du Jefferson Lab.
  2. (en) The Saphir Collaboration, J. Barth, et al, [1], Phys.Lett. B572 (2003) 127-132. Article disponible sur l'arXiv.
  3. (en) Sonia Kabana, Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion, article disponible sur l'arXiv
  4. Jean-Pierre Luminet, Le Destin de l'Univers, éditions Fayard, 2006, p. 204.
  5. (en) Article de Don Lincoln, directeur de recherche au Fermilab, intitulé The Inner Life Of Quarks, paru dans la revue Scientific American de novembre 2012. Article paru en français dans le no 428 de juin 2013 de la revue Pour La Science.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]