PARTICULES ÉLÉMENTAIRESHadrons

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La famille des hadrons rassemble les nombreuses particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, cette force extraordinairement intense qui assure la cohésion du noyau en confinant les nucléons – protons et neutrons – dans un tout petit volume, malgré la répulsion électrostatique entre les protons. On a longtemps considéré les hadrons comme des particules élémentaires mais on comprend depuis les années 1970 qu'ils sont faits de quarks, d'antiquarks et de gluons. On distingue deux classes de hadrons. D'une part, celle des mésons, qui sont des bosons, car ils ont un moment angulaire intrinsèque – ou spin – nul ou « entier » (plus précisément, ce spin est multiple de h/2π où h est la constante de Planck ; il est entier dans un système d'unités qui met cette valeur h/2π égale à 1). Leur masse et leur durée de vie sont très diverses. D'autre part, la classe des baryons, qui sont des fermions, ce qui signifie que leur spin est « demi-entier », c'est-à-dire un multiple impair de h/4π. La physique hadronique est un domaine de recherche, à la frontière entre la physique des particules et la physique nucléaire, qui étudie les systèmes de quarks et de gluons confinés par l'interaction forte. L'outil privilégié d'investigation expérimentale dans ce domaine est la sonde électromagnétique, c'est-à-dire la diffusion de photons, d'électrons ou de muons, sur les noyaux légers. Ce sont des réactions de diffusion d'électrons accélérés à des énergies toujours plus élevées qui ont permis dans les années 1950 d'estimer la taille du proton, puis ont révélé en 1968 sa nature composite.

Caractéristiques

Le proton, le neutron et les mésons π et K sont les hadrons les plus connus parmi les centaines de membres de cette famille de particules. On inclut parfois dans l'ensemble des hadrons les noyaux atomiques les plus légers (à savoir les différents isotopes du noyau d'hydrogène, à commencer par le proton) mais pas les autres noyaux. La taille typique d'un hadron est le femtomètre (10—15m), c'est-à-dire le milliardième de micromètre. La compréhension actuelle des hadrons est formulée dans le cadre des lois de la physique quantique relativiste. Chaque hadron est caractérisé principalement par sa masse, sa charge électrique éventuelle et par un moment cinétique intrinsèque, appelé spin. Par application de la célèbre équation d'Einstein reliant l'énergie au repos (E) d'une particule à sa masse (E = mc2), on exprime habituellement la masse des hadrons en unité d'énergie ; ainsi on dit que le proton a une masse de 938 MeV (mégaélectronvolts) pour exprimer que son énergie au repos est de 938 millions d'électronvolts. On attache de plus à chaque hadron un nombre quantique de parité, égal à + 1 ou — 1, selon le comportement de sa fonction d'onde dans une transformation miroir. Enfin, si ses charges électriques et baryoniques sont nulles, on lui attache un nombre quantique de « parité de charge » qui caractérise son comportement dans une transformation entre les particules et les antiparticules. Une convention régit le nom des hadrons et une compilation bisannuelle réalisée par un groupe international d'une cinquantaine de physiciens, le « Particle Data Group », est éditée depuis 1957 à tour de rôle par une revue scientifique (Physical Review, Physics Letters, Journal of physics).

À l'exception du proton, on observe que tous les hadrons se désintègrent en des particules plus légères. Ainsi un neutron se transmute par un phénomène de radioactivité β en un proton, un électron et un antineutrino, un méson π0 se désintègre en un couple de photons par effet des interactions électromagnétiques tandis qu'un méson ρ0 se désintègre en deux mésons π par interaction nucléaire forte. Il existe souvent plusieurs canaux de désintégration possibles et l'on ne peut pas prévoir avec certitude quel canal de désintégration sera emprunté par un hadron donné. On ne peut qu'étudier les probabilités d'occurrence des diverses voies de désintégrations. Ces « rapports de branchement » dépendent de la dynamique des interactions élémentaires sous-jacentes. Comme dans tout processus quantique, on ne peut pas déterminer avec certitude la durée de vie d'un hadron, mais seulement sa vie moyenne, égale à la demi-vie divisée par le logarithme de 2, la demi-vie étant elle-même définie comme le temps nécessaire pour qu'un grand ensemble de hadrons voit sa population réduite de moitié. Les relations d'incertitude d'Heisenberg conduisent à associer à la vie moyenne d'un hadron une indétermination sur la valeur de sa masse : on dit que le hadron a une « largeur » exprimée en unité d'énergie inversement proportionnelle à sa vie moyenne (le coefficient étant égal à la constante de Planck réduite h/2π).

À l'exception des hadrons les plus légers (méson π et méson K, proton et neutron dans la famille des baryons), les processus de désintégration sont extrêmement efficaces et les phénomènes de transmutations sont donc très rapides. Lorsqu'aucune restriction ne vient limiter les mécanismes à l'œuvre, les largeurs des hadrons sont typiquement de l'ordre de la centaine de MeV, ce qui correspond à des vies moyennes de l'ordre de 10—23 seconde. De telles vies moyennes ne sont pas directement observables puisqu'elles correspondent à des parcours inférieurs à la taille d'un atome. La mesure expérimentale de ces paramètres (vie moyenne ou largeur) provient donc d'une analyse statistique de la distribution d'énergie totale d'un groupe de particules issues de cet état éphémère. La présence d'un pic dans cette distribution signale l'existence d'une particule intermédiaire ; la largeur du pic permet d'estimer sa vie moyenne. La similitude d'une telle courbe avec la représentation de l'amplitude de phénomènes oscillatoires résonants a conduit les physiciens des années 1950 et 1960 à parler de « résonances » hadroniques. Ce vocabulaire est désormais tombé en désuétude.

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Diagrammes représentant des multiplets de mésons

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Diagrammes représentant des multiplets de baryons

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Hadrons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-hadrons/