quark - LaCaverneD`AliBaba

QUARK
GÉNÉRALITÉS
DÉFINITION
Les progrès de la physique ont permis d’observer la structure de la matière à une
échelle de plus en plus réduite. On s'est aperçu de la sorte que les molécules sont
composées d'atomes, que les atomes sont faits d'électrons et de noyaux, et que les
noyaux contiennent des protons et des neutrons. Mais on s'est aperçu également
que les neutrons et les protons ne sont pas des objets élémentaires, mais sont
constitués à leur tour de particules appelées quarks.
En l'état actuel de nos connaissances, les quarks sont considérés comme
indivisibles, et font partie par conséquent du cercle restreint des particules
élémentaires. Précisément parce qu'elle s'occupe de la structure intime du noyau,
la physique des particules élémentaires est aussi appelée subnucléaire. Une autre
dénomination souvent utilisée est celle de physique des hautes énergies. Elle tire
son origine du fait que, pour scinder les particules complexes en leurs constituants
élémentaires, on a besoin d'énergies très élevées, que seuls de puissants
accélérateurs de particules permettent d'atteindre.
On indique par le terme de particules élémentaires les constituants ultimes de la
matière. Selon le modèle standard, toutes les particules élémentaires doivent être
pensées comme des paquets d'énergie, ou quanta, de différents types de champs.
Un champ est une zone de l'espace dont les points sont tous identifiés par les
valeurs d'une grandeur physique. Or, il existe un type de champ pour chaque
espèce de particule élémentaire : un champ électronique, dont les quanta sont les
électrons ; un champ électromagnétique, dont les quanta sont les photons. Il
n'existe pas par contre de champ associé aux structures composites comme les
neutrons ou protons, mais il existe des champs dont les quanta sont les différents
types de quarks, considérés comme des particules élémentaires.
DÉCOUVERTES
En 1895, le physicien anglais Joseph John Thomson découvrit la première particule
élémentaire, l'électron. En 1923, le physicien américain Arthur Holly Compton
démontra de façon expérimentale l'existence physique des quanta de lumière, les
photons. Cinq années plus tard, Paul Dirac prédit l'existence du positon ou
antiélectron, l'électron de charge positive. Cette particule fut découverte dans le
rayonnement cosmique, dans le cadre d'une expérience menée par Carl David
Anderson, Patrick Blackett et Giuseppe Occhialini en 1932. En 1935, l'analyse des
rayons cosmiques permit de découvrir le muon, de charge électrique positive, et
son antiparticule, le muon négatif. En outre, en 1930, Wolfgang Pauli avait prédit
l'existence d'une particule appelée neutrino, qui fut ensuite découverte en 1956 par
Frederick Reines.
Au cours de ces mêmes années, les recherches de Robert Hofstadter suggérèrent
que les constituants du noyau atomique, les protons et les neutrons, ne devaient
pas être considérés comme ponctuels mais plutôt comme des objets complexes.
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Des observations effectuées en 1969 au Stanford Linear Accelerator Center
conduisirent à penser qu'ils étaient constitués à leur tour d'objets indivisibles et
ponctuels, les quarks. Cette idée avait été introduite en 1963 par Murray Gell-Mann
et George Zweig, qui prédirent en outre l'existence de trois types différents de
quarks.
Dans les années 60, grâce au développement des accélérateurs, la liste des
nouvelles particules subatomiques découvertes par les physiciens s'allongea
remarquablement. Il devint par conséquent important de comprendre s'il existait
une structure ordonnée dans laquelle on pût les placer. C'est ce que firent en 1968
Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg avec le « modèle standard »,
qui jusqu'à présent rend compte des observations expérimentales. Dans la théorie
de Glashow, Salam et Weinberg, les particules et les forces observées dans la
nature s'obtiennent en combinant peu d'ingrédients. Les entités élémentaires sont
les quarks et les leptons. Les particules qui transportent les forces fondamentales
contre le photon pour la force électromagnétique, les bosons W +, W - et Z0 pour la
force faible, les gluons pour l'interaction forte. Le modèle standard ne fait pas de
prévisions concernant l'interaction gravitationnelle, mais l'on suppose qu'il existe
une particule supplémentaire, le graviton, à laquelle est associée le champ
gravitationnel.
En 1974, Burton Richter et Sam Ting découvrirent un quatrième quark, appelé
« charmé », prévu par Glashow, Illiopulos et Luciano Maiani. En 1977, l'équipe du
Fermilab (Illinois) mit en évidence un cinquième quark, appelé « bottom ». Neuf ans
plus tard, les chercheurs du CERN de Genève, sous la direction de Carlo Rubbia,
observèrent pour la première fois les trois particules responsables de l'interaction
faible, W +, W - et Z0. Enfin, en 1994, les physiciens du Fermilab annoncèrent qu'ils
avaient capturé le dernier des éléments du modèle standard, le quark « top ».
CLASSIFICATION DES PARTICULES
Pour pouvoir comprendre les relations existant entre les nombreuses particules
subatomiques, il est nécessaire avant tout de les cataloguer sur la base de leurs
caractéristiques, telles que la masse atomique, la charge électrique et le spin.
La masse d'une particule varie selon son état de mouvement. Dans le cas des
particules élémentaires, on fait toutefois référence à leur masse au repos. Il existe
des particules relativement lourdes, comme la particule , dont la masse de repos
est de 1 850 MeV, et d'autres particules telles que le photon, dont la masse au
repos est égale à zéro. Même si cela peut sembler paradoxal, ces objets ne sont
jamais au repos, car leur masse nulle implique qu'ils se meuvent toujours à la
vitesse de la lumière, selon la théorie de la relativité restreinte.
La charge électrique unitaire est par convention celle de l'électron, à laquelle on
assigne une valeur négative (-1). Dans la nature, la charge électrique est toujours
un multiple entier de cette valeur unitaire.
Le spin des particules peut prendre des valeurs multiples de 1/2. C'est ainsi que le
photon a un spin 0, l'électron, le proton et le neutron un spin 1/2, et qu'il existe des
particules ayant un spin 3/2 ou 2.
C'est sur la base de la valeur du spin, que l'on opère une première division
fondamentale des particules en deux classes : d'une part les particules ayant un
spin entier (0, 1 ou 2), qui sont appelées bosons, du nom du physicien indien
Satyendre Nath Bose, et d'autre part, les particules caractérisées par un spin semi2
entier (1/2 ou 3/2), qui sont appelées fermions, du nom d'Enrico Fermi. Les bosons
et les fermions se comportent d'une façon très différente. Les fermions sont sujets
au principe d'exclusion de Pauli selon lequel deux particules identiques de spin
semi-entier ne peuvent occuper le même état quantique.
Une classification appropriée des particules subatomiques nécessite la
connaissance des interactions fondamentales auxquelles lesdites particules
participent. La force gravitationnelle interagit avec toutes les particules dotées
d'énergie, y compris les particules dépourvues de masse de repos. L'interaction
faible elle aussi opère sur toutes les particules. L'interaction électromagnétique
n'agit en revanche que sur les particules porteuses d'une charge électrique non
nulle ou moment magnétique. Enfin, l'interaction forte, introduite pour expliquer la
coexistence de protons et de neutrons dans les noyaux atomiques n'agit que sur
une classe particulière de particules, dites hadrons. L'ensemble des particules non
sujettes à l'interaction forte prend le nom de leptons.
LEPTONS
Comme leur nom l'indique (du grec « chose légère »), les leptons ont une masse
relativement petite. Fait exception la particule , qui pèse 3 700 fois plus que
l'électron. Les leptons se présentent comme des objets indivisibles, privés de
structure interne. Autrement dit, ce sont des particules élémentaires. Ils ont tous un
spin 1/2 et relèvent en revanche de la catégorie des fermions. En outre, ils peuvent
avoir une charge électrique ou en être privés. Le premier lepton découvert a été
l'électron. C'est pour cette raison qu'il est aussi le mieux connu.
Un deuxième lepton est le neutrino. Ce nom indique immédiatement deux de ses
caractéristiques importantes : la légèreté et l'absence de charge électrique. Les
neutrinos ne sont pas sujets à l'interaction forte ni à l'interaction électromagnétique,
les interactions qui assurent la cohésion respectivement des noyaux et des atomes.
C'est pourquoi un neutrino peut traverser sans problème des couches épaisses de
matière. Cette « insensibilité » rend difficile la détection des neutrinos et a retardé
leur découverte, qui n'a pu avoir lieu que lorsque, grâce aux réacteurs nucléaires,
on en a produit en quantité énorme. On ne connaît pas bien encore la masse du
neutrino. Elle est certainement très petite, comparée à celle des autres particules
élémentaires. La détermination de la masse des neutrinos représente l'un des
objectifs les plus importants de la physique des particules. On considère en effet
que le monde est peuplé d'un nombre très élevé de neutrinos (selon certaines
théories, un milliard par électron), et la valeur de leur masse est très importante du
fait de ses implications cosmologiques. Si un neutrino pesait un dix millième de ce
que pèse l'électron, la masse globale de l'Univers serait telle que la force
gravitationnelle finirait par vaincre le mouvement d'expansion de l'Univers. Une
contraction de l'Univers, puis un effondrement gigantesque s'ensuivraient d'ici
quelques dizaines de milliards d'années.
Un autre lepton est le méson  ou muon. Il ressemble beaucoup à l'électron. Il a la
même charge électrique, le même spin et il est sujet aux mêmes interactions. Il a
toutefois une masse supérieure, et il s'agit d'une particule instable : son existence,
quand il est au repos, ne dure que deux millionièmes de seconde. Une fois cet
intervalle écoulé, il se transforme en un électron et en un couple de neutrinos.
Enfin, citons la particule  qui, malgré sa masse importante, se comporte de façon
tout à fait analogue à l'électron et au muon.
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Pour compléter le tableau des leptons, précisons que les neutrinos ne sont pas tous
du même type. On distingue le neutrino électronique, le neutrino muonique et le
neutrino tauonique. Quoique très semblables, ils se présentent dans des situations
différentes, car ils correspondent à trois leptons chargés différents. C'est ainsi que
le neutrino électronique apparaît quand, par exemple au cours d'une désintégration
bêta, un électron est généré. De la même façon, les autres types de neutrinos
accompagnent la création de muons et de particules . Cette distinction entre les
neutrinos porte à six le nombre de leptons : électron, muon, méson , neutrino
électronique, neutrino muonique et neutrino tauonique.
HADRONS ET QUARKS
Au nombre relativement bas de leptons s'oppose le grand nombre d'hadrons, les
particules sujettes à l'interaction forte. Les deux hadrons les plus connus sont les
constituants du noyau atomique, le proton et le neutron. Les autres centaines
d'hadrons découverts à partir des années 50, sont caractérisés par une instabilité
élevée, qui les porte à se transmuter au bout de temps inférieurs au millionième de
seconde. Si l'on classifie les hadrons connus sur la base de leur masse, de leur
charge électrique et de leur spin, on constate des symétries qui laissent entrevoir
l'existence de relations entre les différentes particules. Par le passé, l'aspiration des
physiciens théoriques à déterminer les quelques ingrédients élémentaires qui
donnent naissance à notre Univers, a achoppé sur le nombre élevé de hadrons
présents dans la nature. Jusqu'à l'apparition d'une théorie selon laquelle chaque
hadron est constitué de deux ou de trois particules plus petites : les quarks.
Pour justifier l'existence de tant de hadrons différents, on a introduit trois types de
quarks : les quarks up (u), les quarks down (d) et les quarks strange (s). C'est ainsi
par exemple que le proton se révèle composé d'un quark down et de deux quarks
up, tandis que le neutron se compose d'un quark up et de deux quark down.
Puisque les protons ont une charge électrique unitaire (c'est-à-dire égale à celle de
l'électron), les quarks qui les constituent sont caractérisés par une charge
fractionnaire : les quarks up ont une charge 2/3, les quarks down une charge -1/3.
Les quarks sont des fermions, car ils ont tous un spin 1/2. Leur masse n'est pas
bien connue, même si on sait que le plus lourd est le quark strange.
La structure en quarks des hadrons jette une lumière nouvelle sur de nombreux
phénomènes de la physique subnucléaire. Par exemple, il est possible de décrire la
désintégration bêta d'un neutron en termes de transformations de quarks.
Rappelons que les hadrons, et donc les quarks qui les composent, se distinguent
de par l'interaction forte à laquelle ils sont sujets. Toutefois, ils sont sensibles
également à l'interaction faible, autrement dit à l'interaction responsable de la
désintrégration bêta. Dans ce processus, un neutron se transforme en un proton,
en émettant un électron et un antineutrino. On pense que le neutron contient deux
quarks down et un quark up, tandis que le proton est fait d'un quark down et de
deux quarks up. Pour que se produise la transformation, il est nécessaire que l'un
des quarks down du neutron devienne un quark up. Cela est possible grâce aux
interactions faibles. Le passage du quark down au quark up comporte une variation
de charge électrique d'une unité (on passe de -1/3 à 2/3). Pour que la charge
électrique globale du processus demeure inchangée, on génère un électron.
En plus des quarks up, down et strange, on en a introduit trois autres pour expliquer
l'existence de certains hadrons découverts dans les années 70. Le tableau complet
comprend le quark charmé (c), le quark bottom (b) et le quark top (t).
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LE MODÈLE STANDARD
Il existe donc six quarks de type différent, tout comme il existe six leptons : électron,
muon, particule  et leurs neutrinos respectifs. Pour les physiciens théoriques, cette
analogie n'est pas fortuite. Au contraire, le fait que toute la matière de l'Univers soit
le résultat de la combinaison de douze entités élémentaires est encourageant. Si,
par ailleurs, on se limite à la matière la plus commune, on ne dénombre que quatre
particules fondamentales impliquées : les quarks u et d, qui constituent les protons
et les neutrons, l'électron et son neutrino.
Le modèle standard, la théorie qui est parvenue à mettre de l'ordre dans la
physique subnucléaire, regroupe en un seul schéma les douze entités
élémentaires. L'idée est que les leptons et les quarks, quoiqu'ils diffèrent
substantiellement en ce qui concerne leur comportement par rapport à l'interaction
forte, s'associent par couples. Par exemple, l'électron et le neutrino électronique
font partie de la même famille que les quarks up et down. La deuxième famille est
constituée du muon, du neutrino muonique, du quark charmé et du quark strange.
La troisième comprend la particule , le neutrino tauonique, le quark bottom et le
quark top. Les trois familles se ressemblent beaucoup, même si elles diffèrent
quant au poids des individus qui les composent. La première contient les particules
les plus légères, la troisième les particules les plus lourdes. En théorie, il pourrait
exister d'autres familles, contenant des leptons et des quarks plus lourds que ceux
que l'on connaît actuellement. Leur découverte serait rendue difficile par leur masse
élevée (et en définitive, par l'énergie nécessaire à leur production). En fait, il existe
des considérations de caractère cosmologique qui portent à écarter cette
hypothèse. Des calculs touchant la masse de l'Univers et les processus nucléaires
qui se sont produits au cours de ses premiers instants, font penser qu'il n'existe pas
plus de trois types de neutrinos, autrement dit pas plus de trois familles de
particules (voir big bang).
Rappelons enfin que le schéma du modèle standard a son pendant dans le monde
de l'antimatière. En effet, selon la mécanique quantique, il existe pour chaque
particule une antiparticule, une sorte de négatif dans lequel toutes les
caractéristiques (comme par exemple la charge électrique) sont interverties. Même
si notre Univers est fait substantiellement de matière, il peut arriver que l'on
rencontre un antiélectron ou un antiproton (constitué évidemment d'antiquarks).
LES PARTICULES MESSAGÈRES
La liste des leptons et des quarks (et de leurs antiparticules respectives) ne
comprend pas toutes les particules élémentaires prévues par le modèle standard.
Outre les ingrédients de la matière (et de l'antimatière), le modèle standard
s'occupe en effet des interactions fondamentales et des entités qui en permettent la
propagation dans l'espace : les particules messagères. Selon la physique quantique
des champs, quand deux particules interagissent, elles échangent des particules
messagères. C'est comme si deux individus se renvoyaient une balle. Le va-et-vient
de la balle constitue une interaction entre les deux personnes, une interaction
conditionnée par les caractéristiques de la balle elle-même. Si, par exemple, son
poids est élevé, les deux individus ne pourront pas la lancer en étant très éloignés
l'une de l'autre. Au contraire, si la balle a un poids nul, l'échange peut se faire, en
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principe, même à une distance infinie. Quelque chose d'analogue se passe dans le
cas des interactions fondamentales. La force électromagnétique qui s'exerce entre
un électron et un proton (ayant une charge électrique de signe opposé), consiste en
un échange continu de photons. Le rayon d'action de l'interaction
électromagnétique est infini, parce que la particule qui est responsable de sa
propagation, le photon, a une masse nulle. La même chose vaut pour la force
gravitationnelle, dont la particule messagère, l'hypothétique graviton, n'a pas encore
été découverte. Les interactions faibles sont par contre transportées par les Z 0, W +,
W -, particules relativement lourdes et qui, par conséquent, ont un rayon d'action
limité. Enfin, l'interaction forte, tout en présentant des points communs avec la force
électromagnétique, se révèle plus complexe à décrire. Pour ce faire, on a dû
introduire pas moins de huit particules messagères, dépourvues de masse, qui se
déplacent d'un quark à l'autre et les collent en groupes de 2 ou de 3 : les gluons.
Les photons, les supposés gravitons, Z0, W +, W - et les gluons possèdent des spins
entiers. Autrement dit, il s'agit de bosons et, exception faite du W + et du W -, ils n'ont
pas de charge électrique.
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