Hadrons

Les hadrons sont des particules subatomiques constituées de quarks, maintenus ensemble par l’interaction nucléaire forte, assurée par les gluons.

Ils ne sont pas des particules élémentaires, puisqu’ils renferment en leur sein des quarks et, dans certains cas, des antiquarks.

Le terme « hadron » vient du grec hadrós, qui signifie « robuste » ou « lourd », en référence à leur masse relativement élevée par rapport, par exemple, à celle des leptons.

Remarque. Cette appellation n’est pas absolue : certains hadrons sont étonnamment légers. Le pion, par exemple, a une masse inférieure à celle du proton.

Selon leur structure interne, les hadrons se classent traditionnellement en trois grandes catégories :

• Baryons
  Les baryons sont composés de trois quarks (ou, dans le cas des antibaryons, de trois antiquarks). Les exemples les plus connus sont le proton (uud : deux quarks up et un quark down) et le neutron (udd : deux quarks down et un quark up). Comme ils possèdent un spin demi-entier (1/2 ou 3/2), les baryons sont des fermions et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac.
  

  Remarque. Le proton est le seul baryon connu stable à l’état isolé. Le neutron libre, en revanche, ne subsiste en moyenne qu’une quinzaine de minutes avant de se désintégrer en proton, électron et antineutrino électronique. Tous les autres baryons sont instables et se désintègrent sur des échelles de temps beaucoup plus brèves.

• Mésons
  Les mésons sont formés d’un quark et d’un antiquark. Chacun porte une charge de couleur opposée - l’un avec une couleur, l’autre avec l’anticouleur correspondante (par exemple vert et antiver t) - de sorte que l’ensemble est globalement neutre en couleur. Les exemples les plus connus sont les pions et les kaons. La somme des spins du quark et de l’antiquark est entière (0 ou 1), ce qui fait des mésons des bosons soumis à la statistique de Bose-Einstein.
  

  Remarque. Aucun méson n’est stable : tous finissent par se désintégrer, avec des durées de vie allant de la fraction de seconde à la fraction de femtoseconde. Certains présentent une durée relativement « longue » à l’échelle subatomique, mais aucun n’est permanent.

• Hadrons exotiques
  Il existe des configurations plus complexes, dites hadrons exotiques, qui ne s’inscrivent pas dans la classification standard des baryons et des mésons. On y trouve par exemple les tétraquarks (deux quarks et deux antiquarks) et les pentaquarks (quatre quarks et un antiquark). Prédits depuis plusieurs décennies, ces états n’ont été confirmés expérimentalement que récemment, notamment au CERN et dans d’autres laboratoires.

Au sens large, les hadrons regroupent toutes les particules qui subissent l’interaction forte et sont constituées de quarks liés en diverses combinaisons.

On sait aujourd’hui qu’il existe six « saveurs » fondamentales de quarks, et chaque hadron résulte d’une combinaison particulière de celles-ci.

Remarque. Au fil des décennies, les physiciens ont mis en évidence une extraordinaire variété d’hadrons, chacun défini par sa propre combinaison de charge, de masse et de spin. Aucun n’est véritablement « fondamental » : tous dérivent d’assemblages de quarks. Dans les années 1950 et 1960, la découverte foisonnante de nouveaux hadrons a conduit à rechercher un principe d’organisation plus simple, un cadre théorique capable d’expliquer cette diversité comme différentes combinaisons d’un petit nombre de constituants de base. C’est ainsi qu’est né le modèle des quarks, enrichi progressivement par l’introduction de nouvelles saveurs : d’abord l’étrange, puis le charme, et plus tard les autres.

L’exploration du monde hadronique demeure, aujourd’hui encore, un champ ouvert…