Quark - Définition

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Quarks
Propriétés générales
Composition Élémentaire
Classification Fermions
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) • u : 1,5 à 4,0 MeV.c-2

• d : 4 à 8 MeV.c-2
• s : 80 à 130 MeV.c-2
• c : 1,15 à 1,35 GeV.c-2
• b : 4,1 à 4,4 GeV.c-2
• t : 173 ± 3 GeV.c-2

Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) • u : +2/3 e : +1,07×10-19 C

• d : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• s : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• c : +2/3 e : +1,07×10-19 C
• b : -1/3 e : -5,34×10-20 C
• t : +2/3 e : +1,07×10-19 C

Spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) 1/2
Durée de vie (La vie est le nom donné :) -

Les quarks sont des fermions que la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...).

Description

La théorie des quarks a été formulée par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) Murray Gell-Mann (Murray Gell-Mann (1929) est un physicien américain. Il est surtout connu pour ses travaux sur...), qui se mérita ainsi le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 1969.

Charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...)

Ces particules de spin 1/2 sont de six sortes, appelées saveurs, auxquelles on a donné des noms poétiques. Les noms anglais restent plus utilisés. Les quarks ont pour particularité de posséder une charge électrique fractionnaire de la charge électrique élémentaire (celle de l'électron) :

Nom du quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie...) Fraction de charge électrique élémentaire
Down (Bas) -1/3
Up (Haut) +2/3
Strange (Étrange) -1/3
Charm (Charme) +2/3
Bottom/Beauty (Beauté) -1/3
Top/Truth (Vérité) +2/3

Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...)

Les quarks possèdent également un autre nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de...) que l'on a nommé charge de couleur (En physique des particules , la charge de couleur est une propriété des quarks et des gluons qui...). Un quark peut être[1] " rouge ", " vert " ou " bleu ", mais il peut changer de couleur en échangeant un gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble,...) (voir plus bas).

À chaque quark correspond une antiparticule (A chaque type de particule correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l'électron est...), nommée anti-quark, de même masse, mais de charge électrique opposée et de charge de couleur complémentaire, appelée anti-couleur[2] : un anti-quark peut ainsi être " anti-rouge " , " anti-vert " ou " anti-bleu ".

Le terme de couleur n'a ici rien à voir avec son sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) usuel, c'est une analogie. Il n'a cependant pas été choisi au hasard : en effet, il rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark seul. On explique ça en terme de couleur : à cause du phénomène de confinement des quarks, on ne peut observer que des particules "blanches", c'est-à-dire formée par exemple de trois quarks rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) et vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) (ce qui donne un baryon) —qui en synthèse additive des couleurs donnent une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) blanche—, ou de deux quarks de couleurs complémentaires, comme rouge et anti-rouge (ce qui donne un méson).

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, moins stables, et se désintègrent en quarks de première génération.

Particules composites, notion de hadron (Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Dans le...)

Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposé Gell-Man et Néman en 1964 par des considérations de symétries liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par une étude de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) rapide des électrons sur des nucléons, diffusion qui fit apparaître 3 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 :

  • la somme de leurs charges électriques est une fraction entière de la charge élémentaire (La charge élémentaire est, en physique, la charge électrique d'un proton ou, de façon...) (en général 0, comme pour le neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.), et 1, pour le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...). On rappelle que l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) 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 :

  • 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 3 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 4 quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003[3] mais leur existence reste controversée[4].

Interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) des quarks, notion de gluon

Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique (ou QCD, de l'anglais Quantum ChromoDynamics), est une théorie...) qui a une structure voisine, mais plus compliquée[5], de celle de l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...). La charge de couleur pour l'interaction forte joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) alors un rôle analogue à celui de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique.

Le proton est un baryon (Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les...) constitué de deux quarks up et d'un seul quark down. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1.
Le neutron est aussi un baryon composé de deux quarks down et d'un seul quark up. Il est donc neutre.

Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leur masse extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark ait un sens bien défini.

Les gluons

Les médiateurs de l'interaction forte sont nommés gluons. À la différence de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre...) quantique dans laquelle les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) sont neutres électriquement, les gluons sont également colorés et interagissent donc entre eux. Ils sont au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de 8 ce qui correspond à la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) du groupe SU(3) utilisé pour décrire mathématiquement l'interaction forte.

Étymologie

Le mot quark provient d'une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce : " Three Quarks for Muster Mark! ".

Remarques

Masses des quarks; les masses indiquées des quarks U et D sont uniquement issues de l'influence du champs de Higgs ! On prend en compte également l'influence du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gluons qui est responsable de près de 300 MeV.c-2... En effet quand on divise la masse d'un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau...) par 3 (nb de quarks) on trouve bien 300 MeV.c-2 et non seulement 4 à 8 MeV.c-2 pour D et 1,5 à 4 MeV.c-2 pour U.

Notes

  1. Mathématiquement les quarks se transforment dans la représentation \bold{3} du groupe de jauge SU(3) utilisé pour la chromodynamique quantique.
  2. Mathématiquement les anti-quarks se transforment dans la représentation \bold{\bar{3}} du groupe de jauge SU(3) utilisé pour la chromodynamique quantique.
  3. (en)The SAPHIR (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs,...) Collaboration, J. Barth, et al, (lien), Phys.Lett. B572 (2003) 127-132. Article disponible sur l'arXiv (arXiv (à prononcer comme on prononce « archive » en anglais, avec le...).
  4. (en)Sonia Kabana, Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion, article disponible sur l'arXiv
  5. L'électrodynamique quantique est basée sur le groupe de jauge U(1) qui est abélien. La chromodynamique quantique, elle, est basée sur le groupe de jauge SU(3) qui est non-abélien et rend l'étude extrêmement plus complexe notamment à cause du problème non résolu du confinement.
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