Les Quarks

Les quarks sont les constituants élémentaires des protons et des neutrons, autrement dit les plus petites briques connues de la matière.

Qui a découvert les quarks ?

Le concept de quark a été introduit dans les années 1960 par le physicien américain Murray Gell-Mann. Peu de temps après, les premières preuves expérimentales sont apparues et, en 1963, on a identifié les quarks up et down.

Que sont exactement les quarks ?

Gell-Mann a avancé l’idée que les protons et les neutrons ne sont pas des particules véritablement élémentaires, mais des systèmes formés de composants encore plus fondamentaux appelés quarks.

Les protons et les neutrons, appelés collectivement nucléons, constituent le noyau atomique. Or, ils ne sont pas fondamentaux, puisqu’ils se décomposent en quarks.

Où trouve-t-on les quarks ?

Les quarks ne peuvent pas exister isolés dans des conditions ordinaires. On ne les observe que lorsqu’ils restent confinés à l’intérieur d’autres particules élémentaires, comme les nucléons.

Qu’est-ce qui maintient les quarks liés à l’intérieur d’une particule ?

À l’intérieur des nucléons, les quarks sont maintenus ensemble par l’interaction nucléaire forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature.

C’est également cette force qui assure la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique.

Toutes les particules élémentaires sont-elles composées de quarks ?

Non. Seules certaines familles de particules élémentaires sont constituées de quarks.

Exemple : Les hadrons sont composés de quarks. Ce groupe comprend les nucléons et se subdivise en deux catégories : les baryons et les mésons.

Combien de quarks composent une particule élémentaire ?

Certaines particules élémentaires sont formées de deux quarks, d’autres de trois.

Les baryons (comme les neutrons, protons, particules lambda, sigma ou xi) contiennent trois quarks, tandis que les mésons (comme les pions et les kaons) résultent d’une paire quark - antiquark.

Quelles particules élémentaires ne contiennent pas de quarks ?

Certaines particules élémentaires ne sont pas composées de quarks.

Les leptons (comme l’électron, le neutrino, le muon et le tau) ainsi que les médiateurs des interactions fondamentales (comme le photon, le gluon, les bosons et le graviton) sont des particules dépourvues de quarks.

Quelles sont les principales propriétés des quarks ?

Chaque quark possède une masse, une charge électrique, un spin et une propriété quantique appelée charge de couleur. Sur cette base, on distingue six types de quarks, appelés saveurs.

Qu’entend-on par « saveur » d’un quark ?

Le terme « saveur » désigne l’ensemble particulier de propriétés quantiques qui caractérisent un quark. Les six saveurs sont : Up, Down, Strange, Charm, Bottom (Beauty) et Top.

Remarque : Le mot « saveur » n’a ici aucun rapport avec le goût. C’est un terme de convention en physique des particules pour distinguer les différents types de quarks selon leurs propriétés quantiques.

Les quarks se regroupent en trois générations, chacune plus massive et plus énergétique que la précédente.

Quelle est la charge électrique d’un quark ?

Les quarks portent une charge électrique positive ou négative, mais, contrairement aux électrons et aux protons, ces charges sont fractionnaires : un tiers (1/3) ou deux tiers (2/3) de la charge élémentaire.

La charge électrique totale d’une particule est la somme des charges de ses quarks, ce qui donne toujours un nombre entier (+1, 0 ou -1) et définit ainsi la charge nette des protons et des neutrons.

Exemples concrets

Un neutron est constitué de deux quarks Down (-1/3) et d’un quark Up (+2/3). Le total est nul, ce qui le rend électriquement neutre.

 

Un proton, en revanche, est formé de deux quarks Up (+2/3) et d’un quark Down (-1/3). Le total est +1.

C’est pourquoi les protons portent une charge électrique positive.

Qu’est-ce que le spin des quarks ?

Le spin est une propriété quantique qui peut prendre deux orientations, positive ou négative. Les quarks étant des fermions, ils possèdent un spin semi-entier, noté +1/2.

Que signifie le spin ?

Le spin décrit le moment angulaire intrinsèque d’un quark, c’est-à-dire sa manière de « tourner » sur son propre axe. Un spin de +1/2 correspond à une orientation donnée, tandis qu’un spin de -1/2 traduit l’orientation opposée.

Cette propriété influe directement sur les caractéristiques magnétiques et la structure des particules constituées de quarks.

Note. L’illustration présentée a pour seul objectif de faciliter la compréhension. Les quarks ne doivent en aucun cas être imaginés comme de petites sphères en rotation, car le spin ne correspond pas à un mouvement réel. Les particules élémentaires n’ont pas d’étendue spatiale et ne possèdent aucun axe autour duquel un mouvement de rotation pourrait s’effectuer. Les valeurs +1/2 et -1/2 représentent les autovaleurs de l’opérateur de spin définies relativement à un axe de mesure précis, et non deux sens de rotation opposés. L’analogie visuelle sert simplement à fournir une première intuition des deux états de spin. En réalité, le spin est une propriété quantique intrinsèque qui n’admet pas d’équivalent en physique classique.

Qu’appelle-t-on la couleur des quarks ?

Les quarks existent sous trois « couleurs » distinctes : rouge, vert et bleu.

Il ne s’agit évidemment pas de couleurs visibles. Le terme « couleur » est une métaphore qui désigne une propriété quantique liée à l’interaction forte.

Quel rôle joue la couleur des quarks ?

La notion de couleur permet d’expliquer comment les quarks interagissent et s’assemblent.

Les physiciens avaient constaté que certains quarks au sein d’une même particule semblaient occuper des états quantiques identiques.

Un tel constat entrerait en contradiction avec le principe d’exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions identiques ne peuvent partager exactement le même état quantique : l’un de leurs nombres quantiques doit nécessairement différer.

Ce principe s’applique également aux quarks : il est impossible de composer une particule avec des quarks totalement indiscernables. Chacun doit se distinguer par au moins une propriété quantique.

Pour résoudre ce paradoxe, les physiciens ont introduit la charge de couleur (rouge, vert et bleu) comme nombre quantique supplémentaire.

Ainsi, les combinaisons de quarks respectent le principe de Pauli, car la couleur différencie des quarks qui seraient autrement identiques.

Que sont les antiquarks ?

À chaque quark correspond un antiquark, doté de propriétés inverses, définies par une anti-saveur et une anti-couleur.

Exemple : Le quark Up a une charge de +2/3. Son antiquark associé porte une charge de -2/3. Cette règle s’applique à l’ensemble des quarks.

Pourquoi ne peut-on pas détecter un quark isolé ?

Dans la nature, les quarks n’apparaissent jamais seuls en raison d’un phénomène appelé confinement des quarks, l’une des prédictions majeures de la chromodynamique quantique (QCD).

Les quarks interagissent par l’intermédiaire de la force forte, transmise par des particules appelées gluons, qui agissent via la charge de couleur. On peut comparer cette interaction à une forme singulière de « magnétisme » d’une intensité extrême, qui lie les quarks entre eux.

Remarque. La règle essentielle est que toute particule doit être « blanche », c’est-à-dire neutre du point de vue de la charge de couleur. Dans les baryons, cette neutralité est obtenue en combinant trois quarks de couleurs différentes (rouge, vert et bleu). Dans les mésons, elle résulte de l’association d’un quark et de son antiquark complémentaire (par exemple vert et anti-vert). Dans les deux cas, le système est neutre en couleur. À l’inverse, deux quarks de même couleur - par exemple deux quarks verts - formeraient un état « coloré » instable : les champs de couleur croîtraient sans limite et la nature réorganiserait immédiatement le système pour restaurer la neutralité.

Contrairement à la force électrique, qui décroît avec la distance, la force forte s’accroît lorsqu’on tente d’éloigner les quarks.

On peut l’imaginer comme un élastique tendu entre deux quarks : plus on les écarte, plus la tension augmente. Si l’on insiste à les séparer, l’énergie accumulée dans cette « corde » de gluons croît rapidement.

Au-delà d’un certain seuil, il devient plus énergétique de créer spontanément une paire quark - antiquark issue du vide que de séparer davantage les quarks initiaux.

En pratique, au lieu d’obtenir un quark libre, on engendre de nouvelles particules composites (hadrons), telles que mésons ou baryons.

C’est pourquoi aucun quark isolé n’a jamais été observé directement. Chaque quark détecté est toujours confiné à l’intérieur d’une particule composite, comme un proton, un neutron ou un pion.

Pour les étudier, on procède donc de façon indirecte : en provoquant des collisions de particules à très haute énergie et en analysant les gerbes de particules produites.

Différence avec la charge électrique. En QED (électrodynamique quantique), les photons qui véhiculent l’interaction ne portent pas de charge électrique et n’interagissent donc pas entre eux. En QCD, en revanche, les gluons portent une charge de couleur, ce qui leur permet d’interagir mutuellement. La force forte est ainsi beaucoup plus complexe et intrinsèquement auto-interactive. Les gluons sont des combinaisons d’une couleur et d’une anti-couleur. Par exemple, un gluon rouge - anti-vert peut transformer un quark vert en quark rouge, modifiant ainsi sa « couleur ». Cet échange incessant de gluons est précisément ce qui « colle » les quarks au sein des hadrons comme les protons et les neutrons.

Et ainsi de suite.