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Les hadrons

Les hadrons sont une catégorie de particules subatomiques composites, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas élémentaires mais sont composées de particules plus fondamentales appelées quarks et/ou antiquarks. Ces constituants sont liés entre eux par l'interaction nucléaire forte, une des quatre forces fondamentales de la nature, dont les médiateurs sont les gluons. Les hadrons se distinguent ainsi des leptons (comme les électrons, les muons ou les neutrinos), qui sont considérés comme élémentaires et ne sont pas sensibles à la force forte.

On classe traditionnellement les hadrons en deux grandes familles principales, basées sur le nombre de quarks (ou antiquarks) qui les composent et sur leur spin :

• Les Baryons. - Ces hadrons sont composés d'un nombre impair de quarks (le plus souvent trois) ou d'antiquarks (trois antiquarks pour former un antibaryon). Du fait de cette composition, ils possèdent un spin demi-entier (1/2, 3/2, 5/2, etc.), ce qui en fait des fermions. Ils obéissent donc au principe d'exclusion de Pauli, ce qui signifie que deux baryons identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique au même moment. Les baryons les plus connus et les plus stables sont le proton (composé de deux quarks up et un quark down - uud) et le neutron (composé d'un quark up et deux quarks down - udd). Ce sont les protons et les neutrons qui forment les noyaux atomiques, constituant ainsi la majeure partie de la masse de la matière ordinaire. D'autres baryons existent, contenant des quarks plus lourds (étrange, charm, bottom), comme les particules Lambda, Sigma, Xi, ou Delta, mais ils sont généralement instables et se désintègrent rapidement. Un nombre quantique appelé "nombre baryonique" est associé aux baryons (souvent +1 pour les baryons, -1 pour les antibaryons, 0 pour les autres particules) et ce nombre est strictement conservé dans la plupart des interactions connues.
• Les Mésons. - Ces hadrons sont composés d'une paire quark-antiquark. Leur spin est toujours entier (0, 1, 2, etc.), ce qui en fait des bosons. Contrairement aux fermions, les bosons ne sont pas soumis au principe d'exclusion de Pauli. Les mésons sont généralement beaucoup moins massifs que les baryons et sont souvent très instables, se désintégrant rapidement en leptons ou en d'autres mésons plus légers via l'interaction faible ou électromagnétique. Historiquement, les mésons (en particulier les pions) ont été conçus comme les particules médiatrices de la force nucléaire entre les nucléons (protons et neutrons) dans le noyau, bien que la vision plus fondamentale de cette interaction soit aujourd'hui décrite par l'échange de gluons entre les quarks constitutifs. Des exemples de mésons incluent les pions (π), les kaons (K), les mésons ρ, φ, J/ψ, Υ, etc., dont la composition en quarks/antiquarks varie (par exemple, un pion π⁺ est un quark up et un antiquark down, u anti-d). Le nombre baryonique des mésons est nul.

À l'intérieur des hadrons, les quarks et les gluons sont liés par la force forte. Une propriété remarquable de cette force, décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), est la "confinement de couleur". Les quarks portent une propriété appelée "charge de couleur" (rouge, vert ou bleu, et leurs anti-couleurs correspondantes pour les antiquarks). La force forte entre les quarks ne diminue pas avec la distance de la même manière que la force électromagnétique ou la gravité; au contraire, elle s'intensifie. Cela rend impossible l'observation de quarks libres ou de gluons isolés en conditions normales. Ils sont toujours confinés à l'intérieur de structures "blanches" ou "incolores" d'un point de vue de la charge de couleur globale, qui sont justement les hadrons. Si l'on tente de séparer un quark d'un hadron, l'énergie nécessaire pour vaincre la force croissante est si grande qu'elle est suffisante pour créer de nouvelles paires quark-antiquark à partir du vide, qui se recombinent alors pour former de nouveaux hadrons, plutôt que de libérer un quark seul.

En plus des structures classiques (qqq pour les baryons et q anti-q pour les mésons), la théorie prédit et l'expérience commence à confirmer l'existence de hadrons plus "exotiques", tels que les tétraquarks (deux quarks et deux antiquarks), les pentaquarks (quatre quarks et un antiquark), les glueballs ou boules de glue (liaisons de gluons sans quarks), ou les hybrides (liaisons de quarks et de gluons d'une manière plus complexe que dans les hadrons ordinaires). Ces structures sont aujourd'hui l'objet de recherches intenses.

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