Confinement des quarks

Le confinement des quarks est le phénomène qui empêche les quarks d’exister isolément : ils demeurent toujours enfermés au sein de particules composites. Contrairement à la plupart des autres forces, l’interaction forte se renforce à mesure que les quarks s’éloignent, ce qui rend leur séparation impossible.

Ce comportement, aussi déconcertant qu’il paraisse, constitue l’une des caractéristiques essentielles de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit l’interaction forte.

Dans la nature, aucun quark n’apparaît jamais seul. Ils sont toujours confinés dans des particules composites appelées hadrons - tels que les protons et les neutrons - qui forment la structure des noyaux atomiques.

La force à l’origine du confinement est l’interaction forte, transmise par les gluons, les bosons de jauge de la QCD.

Remarque. Contrairement aux photons en électrodynamique quantique (QED), les gluons portent eux-mêmes une charge de couleur et interagissent directement entre eux. Cette propriété d’auto-couplage confère à la QCD son caractère non abélien et fortement non linéaire.

L’interaction forte maintient les protons et les neutrons solidement liés à l’intérieur du noyau, malgré la répulsion électrostatique entre leurs charges positives. C’est grâce à elle que la matière reste stable.

L’un des aspects les plus étonnants de l’interaction forte est sa dépendance inhabituelle à la distance entre quarks :

• À des distances infinitésimales (correspondant à des énergies extrêmement élevées), la force forte s’affaiblit et les quarks se comportent presque comme des particules libres. Ce phénomène, appelé liberté asymptotique, a été confirmé par des expériences de collisions à haute énergie.
• En revanche, lorsque la séparation augmente, la force croît, comme si les quarks étaient reliés par un élastique. Loin de diminuer avec la distance, l’interaction devient plus intense. En tentant d’écarter deux quarks, la force augmente avec la distance \( r \), à l’image de la tension d’un ressort que l’on étire. L’énergie potentielle du système croît alors de manière linéaire avec la distance : $$ V(r) \approx \sigma \cdot r $$ où \( \sigma \) représente la tension de la corde, voisine de \( 0.2 \,\text{GeV}^2 \).

Remarque. Le confinement ne peut être surmonté que dans des conditions extrêmes, comme les températures vertigineuses de l’Univers primordial ou lors de collisions à très haute énergie au LHC, où il peut se former fugacement un plasma de quarks et de gluons.

Que se passe-t-il si l’on tente de séparer deux quarks ?

Lorsqu’on cherche à les éloigner, le champ de couleur qui les relie emmagasine une quantité croissante d’énergie.

Dès que cette énergie dépasse un seuil critique, elle se convertit en masse selon la relation \( E = mc^2 \), ce qui entraîne la création spontanée de nouveaux couples quark-antiquark à partir du vide.

Ce phénomène se produit parce que l’énergie nécessaire pour séparer deux quarks est supérieure à celle qui suffit pour engendrer de nouvelles particules.

En conséquence, on n’obtient jamais de quark libre : à la place, apparaissent de nouveaux hadrons.

C’est la raison pour laquelle aucun quark isolé n’a jamais été observé.

Pourquoi un quark ne peut-il pas exister seul ?

Un quark ne peut subsister isolé, car le confinement impose que toute particule soit globalement neutre en couleur.

• Les baryons (comme le proton) sont constitués de trois quarks, chacun portant une couleur différente - rouge, vert et bleu. Ensemble, ils se combinent pour former un état neutre, souvent qualifié de « blanc ».
• Les mésons, eux, sont composés d’un quark et de l’antiquark correspondant. La couleur du quark est exactement annulée par l’anticouleur de l’antiquark.
  

Dans les deux cas, le résultat est un système toujours neutre en couleur.

Les trois couleurs fondamentales - rouge, vert et bleu - se combinent dans les baryons, tandis que les trois anticouleurs - antirouge, antivert et antibleu - s’unissent dans les antibaryons. Dans les deux situations, le résultat est un état parfaitement neutre, appelé « blanc », sans charge de couleur résiduelle.

La même règle vaut pour les mésons : la couleur d’un quark est toujours compensée de manière exacte par l’anticouleur de son antiquark.

C’est pourquoi un quark libre ne peut pas exister : isolé, il ne peut atteindre la neutralité chromatique. En d’autres termes, il n’existe pas de « quark blanc » dans la nature.

À chaque tentative de séparation, un quark se rattache immédiatement à d’autres quarks ou antiquarks, formant de nouveaux hadrons globalement neutres en couleur.

Remarque. Bien que le phénomène du confinement soit solidement étayé par les observations expérimentales, une démonstration mathématique complète fait encore défaut. Sa résolution reste l’un des Problèmes du millénaire posés par le Clay Mathematics Institute, qui offre un prix d’un million de dollars à celui qui parviendra à le résoudre. Les recherches sur le plasma de quarks et de gluons, ainsi que les approches non perturbatives, pourraient un jour fournir une explication définitive.

Et la recherche continue…