Charge de couleur

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En physique des particules, la charge de couleur est une propriété des quarks et des gluons reliée à l'interaction forte dans le contexte de la chromodynamique quantique.

Il est à noter que la « charge de couleur » des quarks et des gluons n'est pas reliée à la perception visuelle de la couleur[1]. La popularité du terme couleur est due à l'analogie reliant la charge responsable de l'interaction forte entre les particules aux couleurs primaires de la vision humaine : rouge, vert, et bleu. Une autre palette possible est rouge, jaune et bleu[2], en analogie avec la peinture plutôt qu'avec la lumière.

À chaque particule correspond une antiparticule. Une particule de couleur rouge, verte ou bleue a une antiparticule correspondante dont la couleur doit être antirouge, antiverte ou antibleue, respectivement, pour satisfaire la conservation de la couleur dans les créations et annihilations particule-antiparticule. Une combinaison des trois couleurs, des trois anticouleurs, ou toute combinaison d'une couleur et de son anticouleur complémentaire est dite « blanche » ou « sans couleur », et a une charge de couleur nette nulle. Les particules libres sont blanches : les baryons sont composés de trois quarks rouge, vert et bleu (ou d'antiquarks d'anticouleurs respectives) ; les mésons sont formés d'une paire quark-antiquark où l'antiquark possède l'anticouleur associée à la couleur du quark. La charge de couleur diffère de la charge électromagnétique, qui n'a qu'un type de valeur (les charges positive et négative sont de même valeur, et ne diffèrent que d'un signe).

Peu après la découverte de l'existence des quarks en 1964, on a introduit la notion de charge de couleur pour expliquer comment les quarks pouvaient coexister dans les hadrons dans des « états autrement identiques » et continuer à satisfaire le principe d'exclusion de Pauli. Le concept s'est avéré indispensable. La chromodynamique quantique s'est développée depuis les années 1970 et constitue une importante partie du modèle standard en physique des particules.

Rouge, bleu et vert[modifier | modifier le code]

En chromodynamique quantique, la couleur d'un quark peut prendre trois valeurs : rouge, vert ou bleu. Un antiquark peut prendre trois anticouleurs : antirouge, antivert et antibleu (souvent représentées respectivement par cyan, magenta et jaune). Les gluons transportent une couleur et une anticouleur, par exemple rouge et antivert. Seul huit des neuf gluons possibles sont indépendants, le neuvième pouvant être créé par superposition des précédents (cf. principe de superposition quantique).

Lois[modifier | modifier le code]

Conservation[modifier | modifier le code]

La charge de couleur fait partie des quantités vérifiant une loi de conservation lors d'une transformation, entre l'assemblage de quark initial et l'assemblage final.

Bannissement des charges nues[modifier | modifier le code]

D'après les lois de l'interaction forte, il ne peut pas y avoir de particules colorées nues, c'est-à-dire que la charge de couleur d'une particule doit être neutre (blanche). Ceci peut être obtenu soit en assemblant un quark d'une couleur avec un antiquark de l'anti-couleur opposée, ce qui donne un méson de nombre baryonique nul ; soit en combinant trois quarks chacun d'une couleur différente, ce qui donnera un baryon de nombre baryonique 1, ou trois anti-quarks donnant un anti-baryon de nombre baryonique -1. Il pourrait éventuellement exister une dernière possibilité consistant en 4 quarks et un anti-quark qui formeraient un pentaquark de nombre baryonique 1.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Richard Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press, (ISBN 0-691-08388-6), p. 136 :

    « The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color,' which has nothing to do with color in the normal sense. »

  2. (en) R. Penrose, The Road to Reality, Vintage books, , 648 p. (ISBN 978-00994-40680).