Les quarks

Proposés théoriquement en 1964 indépendamment par Murray Gell-Mann et George Zweig, les quarks ont été confirmés expérimentalement dans les années qui ont suivi, notamment par des expériences menées au SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) à la fin des années 1960. Ils sont désormais fermement établis comme les constituants des protons et des neutrons, et d'autres particules subatomiques moins stables. Le nom de quark vient d'une phrase du roman Finnegan's Wake de James Joyce : «Three quarks, three more quarks, for Master Mark. »  Dans le Quark et le jaguar (1990), Gell-Mann nuance cette étymologie.

• La première génération comprend les quarks up et down, qui sont les plus légers et constituent l'essentiel de la matière ordinaire : les protons sont formés de deux quarks up et un quark down (uud), tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux quarks down (udd). 

• La deuxième génération est composée des quarks strange et charm, plus massifs et généralement produits dans des interactions de haute énergie. 

•La troisième génération, constituée des quarks bottom et top, est encore plus massive, le quark top étant la particule élémentaire la plus massive jamais découverte. 

Une propriété distinctive des quarks est leur charge électrique fractionnaire : les quarks up, charm et top ont une charge de +2/3 de la charge élémentaire (la charge d'un proton étant +1), tandis que les quarks down, strange et bottom ont une charge de -1/3 de la charge élémentaire. Cette charge fractionnaire explique pourquoi les charges des protons (+1) et des neutrons (0) sont des multiples entiers de la charge élémentaire.

En plus de leur saveur et de leur charge électrique, les quarks possèdent un spin de 1/2, ce qui en fait des fermions, obéissant au principe d'exclusion de Pauli (deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique). Ils interagissent via les quatre forces fondamentales : la force électromagnétique (du fait de leur charge électrique), la force faible (responsable de la radioactivité et des changements de saveur), la gravité (comme toute particule ayant une masse) et, de manière cruciale, la force forte.

L'interaction forte est décrite par la chromodynamique quantique (QCD) et implique une autre propriété des quarks appelée "charge de couleur". Il existe trois types de charge de couleur, conventionnellement appelés rouge, vert et bleu (ce ne sont pas des couleurs au sens visuel, mais des "états" quantiques). Pour satisfaire le principe de Pauli et d'autres exigences théoriques et expérimentales, chaque saveur de quark peut exister dans l'une de ces trois couleurs. Les antiquarks (les antiparticules des quarks, ayant les mêmes masse et spin mais des charges électrique et de couleur opposées) portent des "anti-couleurs" (anti-rouge, anti-vert, anti-bleu).

Le fait remarquable est que seules les combinaisons de quarks qui sont "neutres de couleur" (ou "blanches", l'équivalent d'un mélange de rouge, vert et bleu pour les baryons, ou d'une couleur et de son anti-couleur pour les mésons) peuvent exister à l'état libre. C'est le phénomène du confinement des quarks : la force forte entre les quarks ne diminue pas avec la distance comme le font les forces électromagnétique ou gravitationnelle; au contraire, elle augmente. Tenter de séparer deux quarks liés demande une quantité d'énergie telle que cette énergie se matérialise sous forme d'une nouvelle paire quark-antiquark, qui se combine immédiatement avec les quarks originaux pour former de nouveaux hadrons. Il est donc impossible en principe d'observer un quark isolé dans la nature.

Les hadrons, ces particules composites faites de quarks, se présentent principalement sous deux formes : les baryons, composés de trois quarks (ou trois antiquarks), comme les protons et les neutrons, et les mésons, composés d'un quark et d'un antiquark, comme les pions et les kaons. C'est l'étude de la composition et des interactions de ces hadrons qui a permis de déduire l'existence et les propriétés des quarks, bien avant qu'ils ne puissent être "vus" indirectement par des expériences de diffusion de haute énergie (comme la diffusion inélastique profonde).