quark

(Pour plus d’informations, consultez le numéro 4 d’Élémentaire et notamment la rubrique « Histoire »).

Ce nom désigne un constituant élémentaire sensible à l’interaction forte. Il a été proposé en 1963 par le théoricien Murray Gell-Mann afin, notamment, de rompre avec la tradition qui consistait à attribuer des noms grecs à des objets physiques. En effet, avec le temps, la notion transmise par le nom donné se trouvait souvent mise en défaut. Par exemple le terme « atome » est inapproprié puisque l’on sait qu’un atome peut être divisé en objets plus petits (noyau et électrons).

M. Gell-Mann avait proposé initialement « kwork » qu’il changea en « quark » après avoir lu dans Finnegans Wake (James Joyce) le vers:

« Three quarks for Muster Mark ».

Il s’agit d’un passage lié à l’histoire de Tristan et Yseult qui se déroule sur un bateau qui amène Yseult au roi Mark auquel elle est fiancée. Au cours de ce voyage Tristan et Yseult deviennent amants et les « trois quarks » correspondent aux cris de trois goélands qui suivent le bateau et se moquent du roi. Dans les années 1960 on pensait qu’il existait trois « quarks ».

Le raisonnement de M. Gell-Mann était basé sur l’observation de régularités dans le classement de particules connues à l’époque et que l’on pouvait rassembler en groupes de 8. Mathématiquement, de telles structures pouvaient être reproduites à partir de trois objets élémentaires et de leurs antiparticules.

À la même époque, l’idée que ces particules connues étaient formées de constituants plus élémentaires avait été indépendamment, et pour des raisons entièrement différentes, formulée par le théoricien George Zweig qui les appela « as » (comme ceux des cartes à jouer).

Mais personne n’avait observé de quark (on sait maintenant que c’est impossible à cause des propriétés de l’interaction forte) et leur charge électrique apparaissait exotique, valant 2/3 ou -1/3 de la charge élémentaire. Les quarks existaient-ils réellement? Ceci fut démontré en 1967 en étudiant des collisions entre des électrons de 20 GeV et des protons.

Vue de l’expérience qui a permis de détecter la présence de quarks dans le proton en 1967, à SLAC (Stanford, USA).

Il est difficile d’étudier les quarks car ils n’existent qu’au sein de particules formées soit de trois quarks, de trois antiquarks ou bien d’un quark et d’un antiquark. La taille de ces objets est de l’ordre de 10^-15 m et, au delà de cette distance, l’interaction forte disparait. On doit donc sonder la matière avec des longueurs d’onde plus faibles afin de pénétrer dans le monde des quarks.

Dans les collisions à haute énergie, la présence de quarks se manifeste de manière spectaculaire par la création de « jets » de particules qui s’alignent suivant la direction des quarks (ou des antiquarks) émis lors de la collision.

Exemple d’une collision entre un électron et un positron, ayant chacun une énergie de 45 GeV, enregistrée par la collaboration ALEPH sur le collisionneur LEP dans les années 1990. Les trajectoires des particules mesurées sont projetées sur un plan perpendiculaire à l’axe des faisceaux. Celles des particules chargées sont courbées par un champ magnétique ce qui permet de mesurer le signe de leur charge et leur énergie. Les particules ne sont pas émise dans toutes les directions mais sont alignées suivant une direction commune qui correspond à celle du quark et de l’antiquark créés initialement. Les particules mesurées sont, pour la plupart des états liés entre un quark et un antiquark. Ces derniers se créent lorsque le quark et l’antiquark de départ s’éloignent en vertu des propriétés de l’interaction forte.

Une telle collision est un exemple de combinaison entre trois particules proposée dans le jeu numérique « Quark Clash« :

 

Actuellement on a identifié six quarks (et leurs antiquarks correspondants). Trois (up, charme et top) ont une charge électrique égale à 2/3 de la charge élémentaire et les trois autres (down, étrange et beau) ont une charge égale à -1/3. Ils apparaissent en couples (up-down, charme-étrange et top-beauté) dans chacune des trois familles de constituants élémentaires.

Chaque couple interagit de la même manière avec chacune des trois interactions (électromagnétique, faible et forte), ce qui les différencie se sont leurs masses.

Les quarks les plus lourds se désintègrent vers les plus légers par interaction faible, transmise par les bosons W^±. Seuls les quarks up et down existent à l’état naturel au sein des protons et des neutrons. Pour pouvoir étudier les quarks plus lourds, il faut d’abord les recréer lors de collisions.