Quark - Définition
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Particules composites, notion de hadron
Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposé Gell-Man et Néman en 1964 par des considérations de symétrie liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par l'étude des diffusions profondément inélastiques d'électrons sur des nucléons, qui mit en évidence trois centres diffuseurs (Feynman en 1968). Les quarks ont cette caractéristique que l'on ne les observe jamais seuls. En effet, ils sont toujours groupés de telle sorte que :
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- la somme de leurs charges électriques est une fraction entière de la charge élémentaire (en général 0, comme pour le neutron, et 1, pour le proton. On rappelle que l'électron n'est pas composé de quarks, mais est un lepton) ;
- la somme de leurs charges de couleur est blanche (selon les règles de la synthèse additive des couleurs, c’est-à-dire composé de quarks des trois couleurs. Mais, il est aussi possible de trouver des paires quarks—anti-quarks, de couleurs complémentaires qui s'annulent).
Les quarks ne peuvent exister de manière isolée (phénomène de confinement) et s'assemblent ainsi en hadrons. Il en existe deux sortes principales, distinguées par leur nombre de quarks principaux, dits « quarks de valence » :
- assemblage d'un quark et d'un anti-quark : les mésons, qui ont un spin entier et sont donc des bosons ;
- assemblage de trois quarks des trois couleurs différentes : les baryons, qui ont un spin demi-entier et sont donc des fermions.
D'autres assemblages de quarks, tels les pentaquarks, formés de cinq quarks (deux paires Up-Down et un anti-Strange) ce qui désigne en fait quatre quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003 mais leur existence reste controversée.
En plus des quarks de valence, les hadrons sont composés d'une « mer » de paires quark-antiquark qui participent aux propriétés globales du hadron, et en particulier à sa masse.
Note : À l'extrême, on peut considérer que les étoiles étranges (étoiles à quarks) sont des assemblages macroscopiques de quarks (U ; D et S) liés par l'interaction de couleur, avant de l'être par la gravité comme ça l'est pour les étoiles à neutrons. Ces dernières ont une masse (théorique) minimale de 0,09 masse solaire, alors que théoriquement les étoiles à quarks n'auraient pas de masse minimale. Les étoiles à quarks sont à la limite entre observation et théorie.
Ces associations de quarks ont été évoquées pour rendre compte de la matière sombre de l'Univers. Elles auraient été formées dans les premiers instants du Big Bang, mais leur conservation aurait été problématique de par les conditions régnant alors.
Génération
À l'instar des leptons, les quarks du modèle standard peuvent être groupés par génération :
| Génération | Particule de charge fractionnaire -1/3 | Particule de charge fractionnaire +2/3 |
|---|---|---|
| 1re génération | Down | Up |
| 2e génération | Strange | Charmed |
| 3e génération | Bottom | Top |
La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (les neutrons (de charge électrique nulle) sont constitués de deux quarks Down et d'un quark Up, et les protons sont formés de deux quarks Up et d'un quark Down). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds, forment des particules toutes instables, et se désintègrent en quarks de première génération.