CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE

Hadronisation des quarks et des gluons : les jets de particules

Cependant, de la même façon qu’on ne les « voit » pas isolés à l’extérieur des hadrons, les quarks ne sont pas directement reconnaissables dans les ensembles de détection que les physiciens assemblent près des lieux de collisions des particules issues des accélérateurs ; ils n’apparaissent que sous la forme de jets de particules. Par un processus symétrique du phénomène de confinement qui empêche les quarks de sortir du proton, les quarks produits par des processus violents semblent rapidement extraire du vide environnant d’autres quarks, antiquarks et gluons pour apparaître dans les instruments comme des jets de hadrons, le plus souvent des mésons, parfois des baryons, apparaissant comme des faisceaux de particules aux vitesses quasiment parallèles. Ce processus d’hadronisation des quarks, sans être compris en détail, permet cependant d’analyser de façon fiable les processus de collision entre particules, car il se révèle universel et apte à une modélisation mathématique.

Ainsi, par l’intermédiaire d’un photon, l’annihilation d’un électron et d’un positron donne naissance à une paire « quark + antiquark », et chacune de ces particules se révèle en un jet de hadrons. Quark et antiquark peuvent chacun rayonner un ou deux gluons (ou davantage) et ainsi produire des configurations dans lesquelles on reconnaîtra trois ou quatre jets, avec des probabilités décroissantes si les conditions sont telles que la liberté asymptotique s’applique, c’est-à-dire si les énergies mises en jeu sont grandes. C’est de cette façon que, dès 1979, les chercheurs du centre DESY (pour Deutsches Electron SYnchrotron) à Hambourg (Allemagne) mettent en évidence l'existence du gluon. Par une analyse précise de la topologie des trajectoires de particules créées dans l'annihilation d'un électron et d'un positron à haute énergie, ces physiciens démontrent que, dans quelque 10 % des cas, les particules produites se regroupent en trois jets. Ce signe de la présence d'un gluon accompagnant une paire quark-antiquark issue de la réaction est conforme aux prédictions théoriques de la chromodynamique quantique.

Après plusieurs décennies d’expériences avec des collisions électron-positron, électron-proton ou proton-proton, l’étude des jets de particules a fortifié la confiance des physiciens dans les prédictions de la chromodynamique quantique. Cette méthode s’est révélée comme le meilleur moyen de « voir » les quarks et les gluons produits dans les réactions de très haute énergie, même s’ils ne gardent leur individualité qu’une minuscule fraction de seconde (de l’ordre de 10^–24 s). Elle ne permet pourtant pas de comprendre précisément les caractéristiques de chacun des mésons et des baryons présents dans les jets, ce qui nécessiterait en fait de comprendre le mécanisme du confinement des quarks et des gluons dans les hadrons. Elle ne s’applique pas non plus à tous les événements observés car les critères permettant une telle analyse sont restrictifs et ne s’appliquent pas au cas fréquent où les collisions provoquent des transferts d’énergie trop faibles pour que la liberté asymptotique justifie le calcul théorique.