Préambule
Je voudrais tout d’abord évoquer un souvenir personnel peu glorieux.
Aux tout débuts des années 50 j’avais émis l’idée, avec quelques arguments raisonnables à l’appui, que le proton et le neutron ne pouvaient être des particules élémentaires et devaient donc être constitués de composants plus petits. J’avais appelé ces composants, par manque d’imagination, des « sous-particules » au nombre de deux : L’une de charge électrique +1 et l’autre de charge électrique -1.
Je me suis vite aperçu que le proton et le neutron devaient être composés chacun de 3 telles sous-particules.
Appliquées au proton, tout allait bien : proton = 2 sous-particules de cgarge +1 et une autre de charge -1.
J’avais donc pour charge du proton : 1 +1 -1 =1 qui est bel et bien la charge du proton.
Tout excité, je me suis attaqué au neutron.
PATATRAS : Aucune combinaison de 3 de ces deux types de sous- particules ne donnait 0 !
Restait l’hypothèse que le neutron ne serait formé que d’une sous-particule de charge +1 et l’autre de charge -1, d’où 1 – 1 = 0.
Hélas, la masse du neutron serait alors inférieure à celle du proton en contradiction directe avec les faits !
C’est alors que j’ai écrit à Louis de Broglie pour lui soumettre mon idée.
Il me répondit immédiatement en me déclarant : « L’idée que vous me soumettez mérite d’être approfondie car elle pourrait ouvrir la voie à une explication concernant le fait qu’il existe dans la masse des particules une sorte de quantification dont on ignore absolument les lois ».
Suivaient quelques paroles d’encouragement.
Malheureusement, ces encouragements ne me suffirent pas à résoudre la question et j’ai donc abandonné.
Et voilà les quarks !
C’est en 1962, après le désastre de mon idée « géniale »
que mon attention a été attirée par un article de Murray Gell Mann, un physicien américain qui avait développé une théorie selon laquelle il existe des particules élémentaires appelées « quarks » de charge 2/3 et -1/3.Il avait introduit le quark « up » de charge électrique 2/3 et le « down » de charge électrique -1/3.
Et tout s’éclaira : on avait bien : proton = 2 up et 1 down : 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1
Et pour le neutron ; neutron = 1 up + 2 down = 2/3 -1/3 -1/3 = 0
La solution passait donc obligatoirement, en introduisant pour la première fois, par des charges électriques fractionnaires dans les particules ! Personne n’aurait pensé à cette idée dans les années 60 !
J’ajoute qu’il a fallu enrichir ce modèle des quarks en les dotant d’un nouveau type de charge : la couleur. Mais cela nous entraînerait trop loin pour mon propos.
Enfin, il faut signaler l’existence des « antiquarks » : Par exemple, au « up » correspond « l’anti-up » etc.
La charge de couleur elle aussi a ses « anti » : A la couleur « bleu » correspond « l’anti-bleu », au « vert » correspond « l’anti-vert » et au rouge correspond « l’anti rouge ».
Tous les quarks sont « liés » par des « gluons » eux-mêmes colorés et qui jouent pour les quarks le même rôle que le photon pour les électrons.
Intervention des mathématiques pures.
La théorie des groupes de Lie joue un très grand rôle en mécanique quantique et s’est révélée indispensable en théorie des quarks. Il s’agit ici de la théorie SU(3).
Eh bien, cette théorie a exigé l’existence de 4 autres types de quarks :
Les quarks « charm » et « strange »
Les quarks « top » et « bottom ». (appelés aussi « truth « et « beauty » respectivement).
Et on revient à Langevin : La théorie mathématique du up et du down démontrait l’existence des « charm », « strange », « top » et « bottom ».
Tous ces quarks ont été détectés dans les accélérateurs de particules et la mécanique quantique s’est enrichie d’une nouvelle théorie : « La chromodynamique quantique »
Les « hadrons » et les mésons.
Les hadrons sont formés de 3 quarks alors que les mésons sont formés d’un quark et d’un anti-quark.
Par conséquents, le proton, le neutron sont des hadrons ainsi, par exemple, que la particule Ω est formée de 3 quarks « strange »
Remarque sur le proton.
On pourrait croire que la structure du proton es, finalement assez simple :
2 quarks up et un quark down.
En fait, c’est beaucoup plus compliqué que cela ! Ces trois quarks « baignent » dans une mer de quarks et de gluons virtuels.
Mais ne compliquons pas encore plus ce qui est déjà assez compliqué comme ça !
On remarquera seulement le rôle irremplaçable de la mathématique en physique, cette mathématique qui est le langage de l'Univers.
Enfin, il faut signaler, pour rendre à César ce qui appartient à Jules, que le physicien Georges Zweig a trouvé en même temps que Gell Mann et indépendamment, cette théorie des quarks
Merci de votre attention