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Ciel des Hommes

Quark

article de Didier Jamet et Fabrice Mottez

paru le 16 mai 2006

Les quarks sont les plus petits constituants connus de la matière. Il existerait six quarks, appelés "up", "down", "strange", "charmed", "beauty" et "top" (en abrégé : u,d,s,c,b et t). Constamment regroupés par trois, ce qui est une de leur principale caractéristique (il n’existe pas de " quark libre ") ils forment ce que les physiciens appellent les nucléons, encore appelés baryons, c'est-à-dire les protons et les neutrons qui constituent le noyau des atomes. On observe également des paires de quark et anti-quark (formant des mésons).

Ces particules élémentaires ont une charge électrique et sont liées par une des quatre forces fondamentales qui régissent l'Univers, l'interaction forte, encore appelée force nucléaire forte, et qui d'ailleurs ne s'applique qu'aux quarks. Cette force marche un peu comme un élastique : plus les quarks sont éloignés, plus l'intensité de la force qui les relie est élevée (le contraire de ce qui se passe avec la gravité). Mais en revanche, quand ils sont tout près les uns des autres, tout se passe comme s'ils étaient libres. Les physiciens nomment cette caractéristique la liberté asymptotique : plus la distance entre les quarks s'approche de zéro, plus les quarks sont " libres " les uns par rapport aux autres, mais dans un périmètre restreint. C’est à partir des quarks que seraient construits tous les hadrons (particules sensibles à l'interaction forte).

Tous les baryons sont constitués de trois quarks. Par exemple le proton est constitué des quarks uud et le neutron est constitué des quarks udd. Chaque quark a son anti quark. (Ce qui fait douze quarks et anti-quarks.)

Les particules élémentaires sont caractérisées par quelques nombres simples liés aux interactions. Par exemple, la charge électrique traduit le rôle des particules dans les interactions électromagnétiques (notamment leur sensibilité aux champs électriques et magnétiques).

Pour décrire les interactions entre les quarks, les physiciens ont défini un nouveau nombre, appelé couleur. Ce nombre joue un rôle fondamental dans l'interaction forte, au même titre que la charge électrique pour les interactions électro-magnétiques.

Le 5 octobre 2004, le prix Nobel de physique a été décerné à trois Américains qui ont été les premiers à décrire cette liberté asymptotique dans les années 1970 : David Politzer, Frank Wilczek et David Gross. Ces chercheurs ont également attribué une " couleur " aux différents types de quarks : rouge, bleu et vert. Ces couleurs ont uniquement une valeur symbolique, qui correspond en fait à un tiers de charge électrique. En donnant à ces charges le nom d'une couleur, on exprime le fait que les quarks, pour remplir leur rôle, doivent toujours aller par trois : en effet, pour obtenir un nucléon " blanc ", il faut " mélanger " un quark bleu, un quark rouge et un quark vert, tout comme il faut mélanger toutes les couleurs de l'arc-en-ciel pour reconstituer la lumière du soleil. Cette description des quarks s'appelle la chromodynamique quantique, approche qui a permis aux physiciens de beaucoup mieux comprendre la façon dont est organisée la matière.

Le mot quark a une origine étonnante s'agissant d'un constituant fondamental de la matière : elle est purement littéraire. Quark est en fait une onomatopée sans signification particulière présente dans Finnegan wake, roman expérimental de l'écrivain irlandais James Joyce paru en 1934. Le physicien américain Murray Gell-Mann, qui en 1963 cherchait comment désigner ces constituants de nucléons dont il venait de proposer l'existence, tomba sur le mot quark au détour d'une page et trouva qu'il sonnait bien. Il ne lui en fallut pas plus pour l'adopter. Cette découverte des " quarks " lui valut le prix Nobel de physique en 1969.

 

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Schéma mettant en évidence la nature de particules élémentaires fondamentales des quarks
Crédit : CEA

 

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