Enphysique des particules, unquark est uneparticule élémentaire et un constituant de la matière observable. Les quarks s'associent entre eux pour former différents types dehadrons, des particules composites (notamment lesprotons et lesneutrons, les seuls qui soient aussi des constituants de la matière). En raison d'une propriété dite deconfinement, les quarks ne peuvent être isolés, et n'ont pas pu être observés directement ; tout ce que l'on sait des quarks provient donc indirectement de l'observation des hadrons.
Les quarks s'attirent entre eux par une force fondamentale, l'interaction forte[a]. Celle-ci est réalisée par un échange de particules électriquement neutres, mais porteuses d'unecharge de couleur, nomméesgluons.
Les six quarks sont desfermions que la théorie dumodèle standard décrit, en compagnie de la famille desleptons, comme les constituants élémentaires de lamatière. Ce sont des particules despin1/2, qui se comportent conformément authéorème spin-statistique. Leurnombre de charge est +2/3 ou −1/3 (leurcharge électrique est ainsi une fraction de lacharge élémentaire : +2/3e ou −1/3e). À cette famille correspond celle des six antiquarks, de même masse mais de charge opposée (−2/3e ou +1/3e), et de charge de couleur complémentaire.
Cesparticules despin 1/2 sont de six sortes, appeléessaveurs, auxquelles on a donné des noms poétiques. Les noms anglais restent plus utilisés. Les quarks possèdent unecharge électrique fractionnaire -1/3 ou 2/3 de lacharge élémentaire, c'est-à-dire dans l'unité où la charge du proton est +1.
Originellement, les noms des quarksb (bottom, « tout en bas ») ett (top, « tout en haut ») ont été choisis par analogie avec ceux des quarksu (up, « vers le haut ») etd (down, « vers le bas »). Très rapidement, ces quarks ont cependant été renommés enbeauty (« beauté ») ettruth (« vérité »), noms qui sont devenus les standards. Cependant, l'absence de preuve expérimentale duquarkt (mis en évidence seulement en 1994) relança le doute quant à la validité du modèle des quarks, et l'adage« the quark model has no truth » (« le modèle des quarks n'a pas de vérité/n'est pas vrai ») conduisit à la raréfaction de l'utilisation du couple de termesbeauty/truth en faveur des termesbottom/top initialement introduits[6]. Malgré l'existence avérée du quarkt, l'usage actuel privilégie les nomsbottom ettop.
Les quarks possèdent également un autrenombre quantique que l'on a nommécharge de couleur. Un quark peut être[b] « rouge », « vert » ou « bleu », mais il peut changer de couleur en échangeant ungluon (voir plus bas).
À chaque quark correspond uneantiparticule, nomméeanti-quark, de même masse, mais de charge électrique opposée et de charge de couleur complémentaire, appelée anti-couleur[c] : un anti-quark peut ainsi être « anti-rouge », « anti-vert » ou « anti-bleu ».
La couleur ici est uneanalogie qui rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark seul. À cause du phénomène deconfinement des quarks, on ne peut observer que des particules « blanches », c'est-à-dire formées par exemple de trois quarks de couleurs différentes : un rouge, un bleu et un vert, ce qui donne unbaryon (qui ensynthèse additive des couleurs donne un aspect « blanc » ), ou de deux quarks de couleurs complémentaires, comme rouge et anti-rouge, ce qui donne unméson (en « neutralisant » l'aspect coloré).
Cette interaction « de couleur » est de type tripolaire, alors que l'interaction électromagnétique est dipolaire (+ et -). C'est ainsi que l'on a choisi de les nommer par rouge-vert-bleu, car comme la neutralité est la norme pour l'électromagnétisme, la résultante neutre « blanche » est la norme pour les particules constituées par cette interaction.
La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (lesneutrons (de charge électrique nulle) sont constitués de deux quarksDown et d'un quarkUp, et les protons sont formés de deux quarksUp et d'un quarkDown). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds, forment des particules toutes instables, et se désintègrent en quarks de première génération.
Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposéGell-Man et Néman en 1964 par des considérations de symétrie liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par l'étude desdiffusions profondément inélastiques d'électrons sur des nucléons, qui mit en évidence trois centres diffuseurs (Feynman en 1968). Les quarks ont cette caractéristique qu'on ne les observe presque jamais seuls (phénomène deconfinement), à part dans quelques cas particuliers ils sont toujours groupés de telle sorte que :
Un proton est constitué de deux quarksup et d'un quarkdown.
la somme de leurs charges électriques soit un multipleentier de lacharge élémentaire (en général 0, comme pour leneutron, ou 1, comme pour leproton) ;
la « somme » de leurs charges de couleur soit blanche (selon les règles de lasynthèse additive des couleurs), c’est-à-dire que les groupes soient composés de quarks des trois couleurs ou de paires quarks−anti-quarks (de couleurs complémentaires qui s'annulent).
Les quarks s'assemblent ainsi enhadrons. Il en existe deux sortes principales, distinguées par leur nombre de quarks principaux, dits « quarks de valence » :
lesmésons, assemblages d'un quark et d'un anti-quark. Leurspin est entier et ce sont donc desbosons ;
lesbaryons, assemblages de trois quarks des trois couleurs différentes. Leur spin est demi-entier et ce sont donc des fermions.
D'autres assemblages de quarks, tels lestétraquarks formés de quatre quarks ou lespentaquarks, formés de cinq quarks (deux paires Up-Down et un anti-Strange) ce qui désigne en fait quatre quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003[7] mais leur existence restait controversée[8]. En 2015, le CERN a mis en évidence un pentaquark[9], confirmée en 2017 ; enfin, le, la collaborationLHCb publie la découverte de trois nouveaux états[d] d'un même pentaquark[10].
En plus des quarks de valence, les hadrons sont composés d'une « mer » de paires quark-antiquark qui participent aux propriétés globales du hadron, et en particulier à sa masse.
Deux exceptions à ce phénomène de confinement sont :
Le quark top: cette saveur de quark, la plus lourde de toutes, possède assez d'énergie pour n'interagir que faiblement avec les autres quarks (principe deliberté asymptotique) et est donc le seul quark à pouvoir être observé directement dans les conditions usuelles. Les conséquences de cela en termes expérimentaux sont cependant limitées par sa grande instabilité ;
Les phases exotiques de QCD, et notamment leplasma quark-gluon: à haute température tous les quarks peuvent atteindre de hautes énergies leur permettant d'échapper au confinement, les poids de Boltzmann ne favorisant plus autant l'hadronisation.
Note : À l'extrême, on peut considérer que lesétoiles étranges (étoiles à quarks) sont des assemblages macroscopiques de quarks (U ; D et S) liés par l'interaction de couleur, avant de l'être par lagravité comme ça l'est pour lesétoiles à neutrons. Ces dernières ont une masse (théorique) minimale de 0,09masse solaire[11], alors que théoriquement les étoiles à quarks n'auraient pas demasse minimale. Les étoiles à quarks sont à la limite entre observation et théorie.
Ces associations de quarks ont été évoquées pour rendre compte de lamatière sombre de l'Univers. Elles auraient été formées dans les premiers instants duBig Bang, mais leur conservation aurait été problématique de par les conditions régnant alors.
Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte, décrite par lachromodynamique quantique qui a une structure voisine de celle de l'électrodynamique quantique mais plus compliquée[e] que cette dernière. La charge de couleur pour l'interaction forte joue alors un rôle analogue à celui de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique.
Leproton est un baryon constitué de deux quarksup et d'un seul quarkdown. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1. Leneutron est aussi un baryon composé de deux quarksdown et d'un seul quarkup. Sa charge électrique est de: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 soit 0. Il est donc neutre.
Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leurmasse extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.
Le comportement des quarks lors par exemple de la transmutation d'un proton en neutron (ou l'inverse) laisse soupçonner aux chercheurs que les quarks ne sont pas le stade ultime de la matière et qu'ils seraient eux aussi composés d'entités plus petites nomméespréons[12].
Les médiateurs de l'interaction forte sont nommésgluons. Comme les quarks, les gluons portent des charges de couleur, maisà la fois une couleuret une anti-couleur. Comme lesphotons, ils ont une charge électrique nulle. Ils sont au nombre de huit, ce qui correspond à la dimension dugroupe utilisé pour décrire mathématiquement l'interaction forte. Ils interagissent avec les quarks : un gluon bleu-antirouge absorbé par un quark rouge va le transformer en quark bleu ; ou encore un quark vert pourra émettre un gluon vert-antirouge en devenant rouge.
↑L'électrodynamique quantique est basée sur legroupe de jauge qui estabélien. La chromodynamique quantique est basée sur le groupe de jauge qui est non abélien et rend l'étude extrêmement plus complexe notamment à cause du problème non résolu du confinement.
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