CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE

Le domaine mystérieux du confinement

Le confinement des quarks et des gluons reste cependant mal compris. L’énergie transférée – par exemple par un photon ou un gluon – dans une réaction élémentaire est inversement proportionnelle à la distance sur laquelle se propage ce photon ou ce gluon. Dans une collision « dure » typique, cette distance qu’on interprète comme le pouvoir de résolution expérimental est de l’ordre d’une fraction de femtomètre. La liberté asymptotique montre que l’attraction entre deux quarks (ou entre un quark et un antiquark) décroît si leur distance diminue, et croît si elle augmente. C’est un résultat cohérent avec le fait que les quarks et les gluons ne s’échappent pas à l’extérieur des hadrons, mais on ne peut cependant pas affirmer qu’on ait encore élucidé la dynamique du confinement des quarks et des gluons colorés dans des hadrons non colorés. Même l’origine de la masse du proton reste très mal comprise ; principalement composé de quarks u et d dont les masses sont faibles et de gluons de masse nulle, un nucléon doit plus de 95 % de sa masse aux énergies d’interactions de ces composants. Par ailleurs, on ne comprend pas comment le spin (1/2) du nucléon se construit à partir des spins des quarks (1/2) et des gluons (1) et de la quantification de leur mouvement orbital relatif.

Un problème relié à celui du confinement est la compréhension de la pléthorique spectroscopie des hadrons. Des centaines de mésons et de baryons sont maintenant répertoriés dans une publication mise à jour chaque année et accessible en ligne : The Review of ParticlePhysics. Ceux contenant au moins un quark lourd (c ou b) ont été en particulier le sujet de nombreuses études. On ne connaît cependant aucun hadron qui contienne le quark t : on pense que son extrême lourdeur (sa masse est plus de 180 fois celle du proton) rend tellement efficace la liberté asymptotique qu’elle l’empêche d’extraire du vide des quarks avec lesquels se lier, avant que l’interaction nucléaire faible le désintègre en un quark plus léger.

De manière étonnante, le « modèle des quarks » pourtant supplanté par la chromodynamique rend compte de la plupart des caractéristiques de nombre de ces hadrons : une première approximation est en effet toujours de construire les mésons à partir d’un quark et d’un antiquark, et les baryons à partir de trois quarks, mais ces « quarks constituants » doivent plutôt être vus comme des quasi-particules distinctes des « quarks élémentaires » de la chromodynamique. Quelques mésons font de façon intéressante exception : les glueballs (« boules de glu ») ont les propriétés caractéristiques d’un ensemble de deux ou trois « gluons constituants » ; les « tétraquarks » seraient plutôt issus de l’assemblage de deux quarks et deux antiquarks. Leur étude détaillée ne fait que commencer et l’analyse de données complémentaires permettra peut-être de progresser dans la compréhension des mécanismes du confinement.