Quark
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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 corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) • 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 transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) • 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 particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) 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, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) 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 trois états les plus communs sont l'état...).

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 science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec,...) Murray Gell-Mann, qui se mérita ainsi le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du...) en 1969.

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

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 de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) 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 lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).)

Les quarks possèdent également un autre nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique...) 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 ont leur propre interaction forte dans le contexte de la chromodynamique quantique. Il y a une analogie...). 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, ce qui permet l'existence des protons et des neutrons, ainsi que des autres...) (voir plus bas).

À chaque quark correspond une antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark....), 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 l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement,...) 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 usage.), bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus...) et vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un...) (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 humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) 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 Modèle Standard de la Physique des particules, ces particules sont composées de quarks et/ou d'anti-quarks ainsi que de gluons.)

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 « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) 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 équivalente, l'opposé de la charge électrique d'un...) (en général 0, comme pour le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les...), et 1, pour le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.). On rappelle que l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) 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 d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) des quarks, notion de gluon

Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces fondamentales. Elle fut proposée en 1973 par H. David Politzer, Frank Wilczek...) 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 l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme...). La charge de couleur pour l'interaction forte joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) 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 représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme...) 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 les courants électriques.) quantique dans laquelle les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) 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 grammatical ».) de 8 ce qui correspond à la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) 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 atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est généralement noté « A », et appelé...) 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 ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant...) 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, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse) Collaboration, J. Barth, et al, (lien), Phys.Lett. B572 (2003) 127-132. Article disponible sur l'arXiv.
  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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