Image : La matière est constituée de quarks confinés.
Le quark, une particule étrange !
Les quarks, les leptons et les bosons sont les particules élémentaires qui constituent toute la matière que nous connaissons.
Ces constituants quantiques sont décrits par le modèle standard des particules élémentaires crédibilisé par la confirmation expérimentale des quarks (1995), du neutrino (2000) et du boson de Higgs (2012).
Les constituants du proton et du neutron sont des particules composites, non élémentaires, et font partie d'un assemblage étrange de quarks et de gluons. La liaison qui lie les quarks entre eux est l'interaction nucléaire forte appelée parfois la force de couleur.
Cependant les protons et les neutrons ne sont pas les seules particules constituées de quarks. Une centaine d'autres particules très éphémères (mésons) sont faites de quarks et de gluons (pion, muon, kaon, eta, rho, phi, upsilon, lambda, etc.). Tous les mésons sont instables et possèdent une durée de vie très courte entre 10-8 et 10-23 seconde. Mais la seule particule vraiment stable de cette diversité, c'est le proton dont la durée de vie est de l'ordre de 1029 ans. Bien que les neutrons liés dans un noyau atomique soit relativement stables, lorsqu'ils sont libres ils se désintègrent au bout de 880,3 secondes (≈ 15 minutes).
La théorie physique qui décrit l’interaction forte, qui explique la composition des noyaux et qui permet de calculer la masse des quarks et des gluons, s'appelle la chromodynamique quantique (QCD).
La QCD fut proposée en 1973 par H. David Politzer (1949-), Frank Wilczek (1951-) et David Gross (1941-)
Lorsque l'on mesure la masse d'un proton (2 quarks u + 1 quark d) et la masse d'un neutron (1 quark u + 2 quarks d) on ne retrouve pas la masse de leurs constituants.
Masse du proton = 1,673 yg (1,673x10-24 g).
Masse du neutron = 1,675 yg.
Masse d'un quark u = 0,004 yg.
Masse d'un quark d = 0,009 yg.
La masse des quarks ne représente qu'environ 0.02% de la masse des nucléons !!
Où est donc passée la masse manquante ?
La masse manquante est l'énergie cinétique et l'énergie d'interaction forte (E=mc2) qui agitent et maintiennent les quarks ensemble.
En raison d'une propriété dite de confinement, les quarks ne peuvent être isolés. Ils sont fortement liés par un échange de particules électriquement neutres, porteuses d'une charge de couleur, nommées gluons.
Les quarks ne peuvent pas être séparés
Image : Le confinement des quarks.
Les quarks et les gluons à l'intérieur des protons sont reliés par des tubes de flux magnétique de couleur. Si le tube est brisé alors de nouveaux tubes se forment entre les quarks présents.
À l'heure actuelle, on ne connait que deux types de hadrons : les mésons, où un quark est associé à un antiquark possédant son anticouleur, et les baryons, où trois quarks possédant les couleurs rouge, verte et bleue se combinent pour former une particule blanche (cette propriété est à l'origine du terme couleur pour la charge des interactions fortes, puisqu'elle rappelle la synthèse additive des "vraies couleurs").
On ne peut pas concevoir un quark tout seul car plus on essaie de séparer les quarks et plus l'interaction nucléaire forte garde le contrôle, le couplage entre quarks augmente avec la distance. En d'autres termes, plus ils sont proches les uns des autres et moins ils interagissent. Inversement plus les quarks s'éloignent et plus la force nucléaire acquière un comportement élastique les obligeant à rester ensemble.
Ce phénomène appelé "le confinement des quarks" est lié à la propriété de liberté asymptotique des interactions fortes qui agissent sur les particules possédant une charge de couleur. Pour les couplages dus aux autres interactions fondamentales (électromagnétique, faible et gravitationnelle) c'est l'inverse, ils diminuent avec l'éloignement.
La théorie nous dit que même lorsque les quarks se dissocient, l'interaction forte oblige les quarks à s'associer à nouveau entre eux pour former des hadrons. C'est-à-dire des mésons formés d'un quark et d'un antiquark ou des baryons formés de trois quarks comme les protons et les neutrons.
A l'intérieur des hadrons, le phénomène d'apparition et de disparation de particules se produit à un rythme effréné. Cela ressemble à une mer de quarks et de gluons en nombre variable déformant sans cesse le noyau dans une coexistence de formes. De nouveaux couples de quark et d'antiquark se matérialisent à tout instant. Sans cesse des quarks et des antiquarks apparaissent dans le nucléon dans une danse frénétique sans jamais pouvoir sortir de la piste.
Si à la suite d'une collision énergétique un quark sort du nucléon il crée immédiatement un nouvel assemblage de quarks et de gluons (suivant la relation E=mc2) qui peut donner naissance à un pion, un kaon, un rho... sans jamais laisser un quark tout seul.
Le plus étrange c'est que la particule (pion, kaon, etc.) qui a été produite par la collision n'a pas brisé le nucléon, les quarks sont restés confinés dans le noyau comme avant la collision.
La force d'interaction nucléaire forte augmente avec la séparation des quarks et diminue lorsqu'on les rapproche fortement d'où la représentation des ressorts.
Si on tire très fort sur le ressort le gluon se désintègre et l'énergie qu'il contient se transforme en une paire de quark antiquark. Inversement une paire de quark antiquark, peut fusionner et disparaitre en redonnant de l'énergie au gluon. L'image correcte de la structure interne d'un proton ou d'un neutron serait non pas l'image de trois quarks bien distincts reliés par des gluons mais plutôt l'image d'une mer diffuse de quarks, d'antiquarks et de gluons qui apparaissent et disparaissent, qui se lient et se délient sans cesse. Mais au final il y a toujours trois quarks de plus que d'antiquarks, 2 up + 1 down pour 1 proton et 2 down + 1 up pour un neutron.
C'est cette mystérieuse structure à l'intérieur des noyaux qui permet aux atomes de trouver la meilleure façon de s'assembler.
N. B. : Le confinement de couleur est une propriété des particules élémentaires possédant une charge de couleur : ces particules ne peuvent être isolées et sont observées uniquement avec d'autres particules de telle sorte que la combinaison formée soit blanche, c’est-à-dire que sa charge de couleur totale soit nulle. Cette propriété est à l'origine de l'existence des hadrons. Le phénomène est décrit dans le cadre de la chromodynamique quantique.