Qu’est-ce qu’un quark ?

Qu’est-ce qu’un quark ?

L’une des grandes avancées de la physique des particules des années soixante et soixante-dix a été la mise en évidence d’un niveau d’élémentarité sous-jacent au nucléon. C’est le niveau des quarks : le nucléon est composite, c’est un assemblage de trois quarks… Toute la matière dans l’univers est faite de dix-huit quarks et six leptons.

Le modèle standard a prédit, avec précision, la manière dont les protons et les neutrons sont constitués de quarks, et que ces derniers se tiennent ensemble grâce aux gluons, c’est-à-dire grâce aux porteurs des interactions nucléaires fortes.

La matière serait appelée fermions, c’est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s’agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l’électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons).

La matière est constituée de douze particules primordiales, dont quatre prédominantes : le quark u, le quark d, le neutrino et l’électron. Le quark semble nous rapprocher de l’élémentarité. Le proton et le neutron, qui composent le noyau de l’atome, sont eux-mêmes des composés de quarks. Mais les quarks posent un problème à l’élémentarité, car ils ne peuvent pas être isolés, séparés de la structure à laquelle ils participent. Encore peut-on, dans le cas des noyaux, extraire les nucléons, leur rendre leur individualité et leur faire retrouver leurs propriétés particulières d’objets isolés. C’est ce dernier restant d’individualité qui disparaît à son tour avec les quarks. Car, selon la conception actuelle, les quarks, tout en étant des composants des hadrons, ne peuvent pas être séparés et isolés…

De fait, si l’on tente d’extraire à toute force un quark d’un nucléon en le perturbant avec assez de violence (au moyen d’un choc, par exemple), l’énergie cinétique mise en jeu peut être suffisante pour être transformée en l’énergie de masse d’une paire quark-antiquark. L’antiquark va effectivement pouvoir arracher un quark au nucléon et le nouveau quark remplacer le fugitif. Résultat net : émergent de la collision un couple quark-antiquark et un trio de quarks, c’est-à-dire un méson et un nucléon – mais de quark libre, point. Ainsi donc, si les quarks peuvent être considérés comme des constituants des hadrons, c’est en un sens bien particulier, puisqu’ils ne peuvent se manifester qu’au sein de structures collectives, et non isolément. Les systèmes composés qu’ils forment ne sont pas des assemblages réalisés à partir de composants indépendants et séparés il n’existe pas de magasins de « pièces détachées » où se fournir en quarks isolés pour, ensuite, construire les hadrons…

La base de la théorie des quarks est très simple : il faut trois quarks pour former un baryon, soit un quark s’unit à un antiquark pour former un méson. Il existe six sortes de quarks (on dit six saveurs) : u, s, d, c, t, et b). La formation et la désintégration des particules s’expriment en termes de quarks. Dans la désintégration du neutron, un quark d est remplacé par un quark, ce qui fait que udd donne uud, soit un neutron se transforme en un proton plus un positron et un antineutrino. Si les quarks sont liés, il doit bien y avoir une force qui les attire les uns vers les autres, une force extrêmement forte. L’interaction entre quarks et entre nucléons est appelée la force forte. Les quarks existent sous trois formes différentes qu’on a appelé couleurs : rouge, vert et bleu. La théorie qui incorpore toutes ces caractéristiques de la force entre quarks est la Chromodynamique quantique ou QCD. Nous avons expliqué que la charge d’un électron polarise le vide en attirant les positrons virtuels et en repoussant les électrons virtuels dans l’espace autour de lui. Cela écrante sa charge, diminuant la force effective ressentie à distance. Un effet semblable de polarisation se passe autour d’un quark, mais cette fois il met en jeu la couleur au lieu de la charge électrique. La charge de couleur d’un quark attire les antiquarks virtuels de l’anticouleur appropriée. Le vide contient aussi des gluons virtuels, qui participent aussi à la polarisation puisqu’ils sont colorés, mais leur effet est au contraire de renforcer la charge de couleur au lieu de l’écranter. Les gluons l’emportent sur les quarks, et le résultat net est que la charge effective de couleur augmente au lieu de diminuer. Pour deux quarks très proches, l’effet anti-écran est évité, expliquant le confinement des quarks.

La chromodynamique quantique (ou QCD), découverte en 1973, utilise la théorie quantique des champs pour rendre compte de l’interaction entre quarks et gluons.

D’après cette théorie, les quarks (et les antiquarks correspondants) sont confinés dans les particules qu’ils constituent, c’est-à-dire qu’il est impossible d’en observer à l’état libre. Ils possèdent une propriété nommée « couleur » : bleue, verte ou rouge pour une particule ; antibleue, antiverte ou antirouge pour une antiparticule. Il s’agit d’un nombre quantique, analogue à la charge électrique de la force électrostatique. Un autre principe fondamental de la théorie est qu’une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante blanche, c’est-à-dire que sa charge de couleur doit être nulle. Cela peut être obtenu en combinant trois quarks de couleurs différentes : bleu, vert et rouge. Le baryon résultant est ainsi de couleur blanche. De la même façon, en combinant un quark et un antiquark de couleurs opposées (par exemple, bleu et antibleu), nous obtenons un méson de couleur blanche.

En QED, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capables d’écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. Comme QCD est aussi une théorie renormalisable, on peut lui appliquer un raisonnement analogue… mais on aboutit à une situation totalement inversée. A cause de l’autocouplage des gluons, les diagrammes de polarisation du vide comportent en QCD des boucles de gluons. La contribution de tels diagrammes (absents en QED) est de signe opposé à celle des diagrammes avec boucles de quarks (analogues à ceux présents en QED), et elle est si importante qu’elle inverse l’effet de polarisation du vide. Au total, en QCD, la polarisation du vide provoque un anti-effet d’écran. La « charge de couleur » (qui caractérise le couplage dans l’interaction forte) est renormalisée en sens inverse de la charge électrique : elle croît, au lieu de décroître, avec la distance. Cette propriété a emporté la décision de faire de QCD la théorie de l’interaction forte.

Dans le noyau des atomes, on trouve un proton ou un neutron, chacun avec trois quarks. Un proton est constitué de deux quarks u (u pour up – haut en anglais) de charge + 2/3 (deux tiers de la charge d’un proton) et d’un quark d (d pour down – bas en anglais) de charge -1/3 (un tiers de la charge d’un électron), ce qui lui donne en tout une charge +1. Un neutron est constitué de un u et de deux d ; il est donc neutre, de charge zéro. Le passage de l’un à l’autre s’effectue par la transformation d’un quark u en un quark d (ou vice versa) avec émission d’un positon (l’anti-électron) et d’un neutrino ; le quark d se transforme en u avec émission d’un électron et d’un anti-neutrino. Ces transformations de quarks procèdent de l’interaction nucléaire faible puisqu’elles font intervenir les électrons (ou positons) et neutrinos (ou anti-neutrinos). La fusion des quarks en nucléons relève de l’interaction nucléaire forte. Avec un plusieurs nucléons (proton et neutron), on obtient un noyau d’atome que l’on complète par son cortège électronique.

Dans le noyau atomique, on trouve deux forces fondamentales, la force nucléaire forte (qui assure la cohésion de la matière nucléaire) qui assemble les quarks entre eux dans les noyaux des atomes et la force nucléaire faible qui régit la transformation de certains quarks en d’autres, des protons en neutrons (et vice versa) et qui est à l’origine du phénomène de la radioactivité, agissent à très petite échelle (l’intérieur d’un noyau d’atome).

Un quark peut se changer en un autre. La couleur n’est pas un paramètre attaché au quark mais une propriété pouvant sauter d’un quark à un autre.

Par exemple chaque proton est fondé sur trois quarks et sur leurs échanges, leurs transformations mutuelles. Il n’est pas seulement la somme des trois quarks car il faut y rajouter les particules d’interaction qui empêchent notamment ses quarks de s’évader et qui les relient. Mais c’est loin d’être tout. A cet état (trois quarks) se rajoutent un nombre illimité d’autres états dans lequel le proton peut se trouver :

– trois quarks plus un gluon

– quatre quarks plus un antiquark plus un gluon

Etc, etc…

Chacun des états ci-dessus possède une probabilité définie pour chaque proton. Ce qui signifie que le proton n’est pas seulement le proton actuel mais aussi toutes ses potentialités et leurs probabilités respectives.

Le proton, le neutron ou les quarks ne sont pas plus des particules individuelles qui existent sans un nuage qui est un cortège de gluons par exemple. Cette propriété est fondamentale dans l’interprétation quantique de l’atome et de ses sauts d’un état à un autre.

La particule est "habillée" par son nuage virtuel constitué par la transformation à proximité de la particule du vide quantique qui l’entoure.

Le moindre quark ou électron est un être complexe entouré de toutes ses possibilités d’interaction avec les particules vacuelles. Bonne à tout faire de la physique des particules, le vide quantique agit dans l’ombre, loin des projecteurs. Considéré comme la condition la plus basse des champs, ou plus exactement comme l’état de plus bas étage de l’énergie du champ, il est mis à contribution pour confiner les quarks et les empêcher de s’échapper de la prison des protons et neutrons, pour couper en deux l’interaction électrofaible, et pour vêtir les particules d’un épais manteau vacuel qui minimise leur effet ou tout au contraire l’exalte, et ourdir ainsi la polarisation du vide. Les particules virtuelles/vacuelles, en effet, servent d’atténuateurs ou d’amplificateurs des forces, selon leur nature.

La force électromagnétique diminue en fonction de la distance plus vite que prévu. L’interaction forte, tout au contraire, s’amplifie au point de venir rapidement insurmontable. Ainsi s’explique l’inséparabilité des trois quarks du proton. L’effet d’écran et d’anti-écran expliquent la variation d’intensité des forces en fonction de l’énergie (de la distance) à laquelle on les analyse.

Les particules hadroniques (baryons et mésons) apparaissent comme des petites bulles dans le vide. Elles comportent selon le cas trois quarks ou un quark et un antiquark. Ils s’individualisent à très courte distance avec leurs différentes couleurs mais ils donnent globalement dans chaque cas un ensemble blanc à l’échelle de la particule dont la taille correspond à la distance de pénétration acceptable dans le vide, qui est de l’ordre du fermi soit tant que le couplage effectif entre quarks n’est pas trop fort. Tout cela définit de façon cohérente l’ordre de grandeur de la taille et de la masse des hadrons, un rayon de l’ordre du fermi et une masse de l’ordre du GeV. Si l’on augmente la taille de la bulle, on augmente l’énergie qu’elle contient et donc la masse de la particule. Elle devient vite instable en donnant des particules moins massives associées à des bulles plus petites.

Le boson de Higgs est ce qui transmet leur masse aux quarks. Mais la masse des nucléons n’a maintenant rien à voir avec celle des quarks qui le constituent. Elle résulte d’effets dynamiques à l’échelle du confinement qui apparaît au niveau du fermi. Le Higgs explique l’existence de la masse des quarks, mais la masse des quarks n’est qu’une toute petite partie de la masse du nucléon (moins de quelques pourcent). La plus grande partie vient de l’interaction nucléaire forte entre ces quarks. Le calcul de cette masse peut être fait sur des supercalculateurs, par ce qu’on appelle la chromodynamique quantique sur réseau.

La réalité du noyau est une dynamique et non une addition fixe de protons et de neutrons. Les protons et neutrons s’échangent, les quarks se changeant entre eux. Ces phénomènes fondamentaux sont discontinus, brutaux, qualitatifs et pas seulement quantitatifs et non graduels : les collisions entre particules donnant deux photons, les sauts quantiques de l’électron dans l’atome, les transformations entre proton et neutron, les changements de forme du nuage électronique de l’atome, les émissions et absorptions de photons par les particules, les sauts quantiques qui déplacent la particule de masse au sein du nuage virtuel, les transformations d’un photon en un couple particule et antiparticule et inversement, les transformations d’un gluon, d’un méson, d’un pion en quark et antiquark, les absorptions/émissions de gluons ou de couples quark/antiquark par le proton, les apparitions/disparitions de couples matière et antimatière au sein du vide quantique, les échanges de photons virtuels, de gluons virtuels entre particules de matière, le changement de couleur des quarks, les transformations des états des neutrinos, etc….

Le changement d’un proton en un neutron et inversement, changement spontané et qui se produit sans cesse au sein du noyau, est indispensable à la stabilité du noyau de l’atome. A la base de ce phénomène, il y a le changement, lui aussi brutal et dialectique, d’un quark en un autre (d’un quark up en down). Le changement d’un neutrino dans un autre est tout aussi brutal et spontané. Le changement d’une particule réelle en particule virtuelle et inversement a encore le même caractère. Là encore il s’agit du passage d’un élément en son contraire.

La stabilité globale des structures provient des changements dialectiques d’un élément en son contraire : par exemple, la stabilité du noyau provient du changement du neutron en proton et inversement. La stabilité des quarks provient du changement de chaque quark en son opposé.

Le mouvement est causé par des sauts de propriétés en leur contraire : le mouvement de la particule provient du changement de virtuel en réel et de réel en virtuel.

Tous ces changements sont brutaux et discontinus. Un des derniers exploits en matière d’ « observation » de phénomènes ultra-rapides est la désintégration du méson dit « charmé », constitué d’un couple de quark et d’antiquark charmés qui disparaît en moins d’un millième de milliardième de seconde !

De l’électron au quark

Du quark à la particule