QUARKS
Les quarks sont des particules élémentaires. Ils ont été imaginés en 1963 pour expliquer la multiplicité croissante des particules élémentaires et la régularité apparente du nouveau tableau des éléments découverts grâce aux expériences utilisant les grands accélérateurs et sont maintenant considérés comme des constituants ultimes de la matière, au sens qu’aucune sous-structure plus fine ne semble nécessaire à l’explication des données expérimentales. Porteurs d’un moment cinétique (et magnétique) intrinsèque (ou spin) égal à h/4π, ce sont donc des fermions dont la dynamique est réglée par l’équation de Dirac. Ils ont des charges électriques fractionnaires et apparaissent sous trois formes de « couleur », selon la terminologie de la chromodynamique quantique. Ils existent sous six « saveurs » (appelées down, up, strange, charm, bottom et top) de masses différentes. Avec les leptons (par exemple, les électrons et les neutrinos) et les bosons de jauge (comme les photons et les gluons), qui véhiculent les interactions entre les particules, ils forment l'« alphabet » avec lequel la nature écrit noyaux, atomes, molécules et tous leurs assemblages.
Quarks et structure du proton
Un des acquis scientifiques des premières décennies du xxe siècle est la démonstration que tout est constitué d'atomes, que chacun de ces atomes est comme un minuscule système solaire où des électrons chargés négativement forment un nuage autour d'un noyau chargé positivement, que chacun de ces noyaux est formé d'un nombre entier de protons et de neutrons. La compréhension de la structure des protons et des neutrons, étroitement liée à la résolution de la nature des interactions nucléaires fortes (par opposition aux interactions nucléaires faibles, responsables des désintégrations radioactives β), a dû attendre la mise en service des grands accélérateurs de particules capables de sonder la matière avec une précision meilleure que le femtomètre (10–15 m, soit un milliardième de micromètre).
Les expériences réalisées avec les premiers accélérateurs de particules dans les années 1950 et 1960 avaient montré que les protons et les neutrons sont eux-mêmes des objets complexes dont la taille est de l'ordre du femtomètre, tandis que les électrons semblaient ponctuels au regard de la taille des protons et neutrons. Mais le pouvoir de résolution de ces gigantesques « microscopes » n'était pas suffisant pour explorer plus finement la structure interne des protons et des neutrons. On ne comprenait pas non plus les mécanismes de l’interaction nucléaire forte, responsable de l’existence des noyaux atomiques par son effet stabilisateur malgré l’intense répulsion électrostatique qui s’exerce entre des protons très proches, une force terriblement intense à courte portée, mais complètement inefficace à quelques dizaines de femtomètres de distance. On ne comprenait pas mieux les nombreux autres « hadrons », mésons et baryons, des particules composites abondamment produites lors des collisions de protons issus des rayons cosmiques ou des accélérateurs. Ces hadrons partagent avec le proton la caractéristique essentielle d’une grande sensibilité aux interactions nucléaires fortes.
La mise en service de l'accélérateur linéaire d’électrons à Stanford (SLAC), en Californie, ouvre à la fin des années 1960 de nouveaux horizons à l'étude de l’infiniment petit. En bombardant des protons par des électrons d'énergie considérable – une vingtaine de gigaélectronvolts (GeV, ou milliards d'électronvolts) –, les physiciens renouvellent l'expérience qui avait permis à Ernest Rutherford (1871-1937) de distinguer en 1911 le noyau dans l'atome. En 1967, l’équipe menée par Jerome J. Friedman (né en 1930), Henry W. Kendall (1926-1999) et Richard E. Taylor (1929-2018)[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Bernard PIRE. QUARKS [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Média
Propriétés des quarks
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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DÉCOUVERTE DU QUARK CHARMÉ
- Écrit par Bernard PIRE
- 295 mots
C'est en étudiant les paires électron-positon produites dans les collisions initiées par des protons, à l'accélérateur de particules de Brookhaven (Long Island, près de New York) que l'équipe menée par Samuel Ting (né en 1936) met en évidence en 1974 une nouvelle particule, qu'elle nomme « J »....
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PREUVE EXPÉRIMENTALE DE LA STRUCTURE EN QUARKS
- Écrit par Bernard PIRE
- 168 mots
L'expérience menée à l'accélérateur linéaire à électrons de Stanford (S.L.A.C) par Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor permet de démontrer en 1968 la présence de structures ponctuelles chargées à l'intérieur du proton. Bien qu'on eût expliqué depuis plusieurs...
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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
- Écrit par Maurice JACOB, Bernard PIRE
- 8 172 mots
- 12 médias
Continuant la descente au-delà de 10—15 m, on atteint le niveau des quarks, les constituants du proton et du neutron. Nous pouvons étudier avec précision la structure de la matière à l'échelle de 10—18 m : on distingue alors clairement les quarks. À la précision des mesures, le quark... -
HADRONS
- Écrit par Bernard PIRE
- 4 223 mots
- 2 médias
La spectroscopie des hadrons a été à la base de l'introduction du concept de quarks. Remarquant une régularité dans l'ordonnancement des masses des premiers mésons et baryons découverts dans les années 1950, Murray Gell Mann, George Zweig et Yuval Ne'eman proposaient indépendamment... -
ANTIMATIÈRE
- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
- 6 931 mots
- 4 médias
...particulièrement les diffusions électron-proton au Slac (Stanford Linear Accelerator), ont montré que les hadrons sont composés de particules élémentaires, les quarks, liés entre eux par l'interaction forte (chromodynamique quantique). Dans ce schéma, à chaque quark est associé un antiquark. Si un baryon... -
BARYONS
- Écrit par Bernard PIRE
- 195 mots
Famille de particules sensibles à l'interaction forte et de moment angulaire intrinsèque (spin) multiple impair de h/4π (h = constante de Planck). On a longtemps considéré les baryons comme des particules élémentaires mais on comprend maintenant qu'ils sont des assemblages de ...
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Voir aussi
