quark - astronomie.

quark - astronomie. 1 PRÉSENTATION quark, particule fondamentale de la matière, entrant dans la composition des hadrons, comme les protons et les neutrons. Avec les leptons, deuxième grande famille de particules élémentaires, les quarks forment l'ensemble de la matière existante. L'hypothèse de l'existence des quarks a été proposée en 1963 par les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig. Le terme quark est tiré d'une phrase du roman Finnegans Wake de James Joyce :« Three quarks for Mr Mark «. 2 CARACTÉRISTIQUES Les quarks se caractérisent par leur masse, leur charge électrique, leur « couleur « et leur « saveur «. La masse d'un quark s'exprime en électronvolts (eV), conformément à l'équation traduisant l'équivalence masse-énergie : E = ymc2. La charge d'un quark a la particularité d'être fractionnaire, pouvant être égale à + 2 / 3 ou à - 1 / 3 de la charge élémentaire valant 1,602.10-19 C. La couleur (rouge, vert ou bleu) est une caractéristique quantique due à l'interaction entre les quarks appelée interaction chromique ou interaction forte, l'une des quatre interactions fondamentales du modèle standard ; elle est décrite par la chromodynamique quantique. Cette théorie stipule que les quarks vont s'attirer de façon à former des objets neutres, non colorés, c'est-à-dire blancs : les hadrons. La force d'attraction entre quarks est véhiculée par des bosons vecteurs : les gluons. Cette attraction est à l'origine du confinement des quarks : il est impossible de les séparer à l'intérieur d'un hadron ; en effet, alors que deux charges électriques de signes opposés placées à une distance infinie n'interagissent pas, les quarks s'attirent d'autant plus qu'ils sont éloignés. Ce confinement explique les difficultés des chercheurs à détecter des particules de charge fractionnaire (tous les hadrons ont une charge entière). Enfin, la « saveur « d'un quark constitue une autre caractéristique quantique classant les quarks en six familles : up (u), down (d), strange ou « étrange « (s), charmed ou « charmé « (c), bottom (b) et top (t). À ces particules, il faut également ajouter les antiquarks, constituants de l'antimatière, semblables aux quarks mais de charges opposées. Les quarks u, c et t ont une charge de + 2 / 3 tandis que les quarks d, s et b ont une charge de - 1 / 3. Les saveurs des quarks sont classées en trois générations : les quarks u et d, les plus légers, de masses respectives 5 MeV et 8 MeV (mégaélectronvolts), constituent la première génération ; les quarks c et s de masses respectives 1 500 MeV et 160 MeV la deuxième génération ; les quarks t et b de masses respectives 175 000 MeV et 4 250 MeV la troisième génération. Ainsi, chaque génération comprend un quark de charge + 2 / 3 et un quark de charge - 1 / 3. 3 EXISTENCE Dans la nature, seuls les quarks up, down et strange existent, les trois autres étant créés en laboratoire. Les antiquarks sont également produits artificiellement dans des accélérateurs de particules. Les hadrons forment un ensemble de n quarks et m antiquarks liés entre eux. Il existe une relation à laquelle doivent satisfaire ces nombres : n - m = 3 B, où le nombre B, appelé nombre baryonique, doit être entier ou nul. Lorsque B = 0, on obtient des hadrons contenant autant de quarks que d'antiquarks : ce sont les mésons. Par exemple, le pion p+ contient un quark u et un antiquark d. Jusqu'à ce jour, seuls ont été observés des mésons à un quark et un antiquark, mais rien n'interdit l'existence de mésons à deux quarks et deux antiquarks, voire plus. Lorsque B = 1, on obtient les baryons. Les plus simples sont constitués de trois quarks, comme le proton qui comporte deux quarks u et un quark d, ou le neutron qui est formé de deux quarks d et d'un quark u. Les physiciens ont naturellement imaginé des baryons formés de quatre quarks et un antiquark : on les appelle les pentaquarks. L'existence de telles particules a été prédite en 1997 par les physiciens russes Maxim Polyakov, Dmitri Diakonov et Victor Petrov. En 2003, la découverte d'un pentaquark extrêmement instable (composé de deux quarks u, deux quarks d et un antiquark s) est annoncée par une équipe japonaise travaillant au synchrotron SPring-8 (Hyogo). Dans les mois qui suivent, différentes équipes en Allemagne et aux États-Unis recherchent dans leurs résultats la trace de pentaquarks et confirment leur existence. Cependant, sur toutes les expériences postérieures à l'annonce de leur découverte, en particulier celles menées en 2005 au Jefferson Lab (JLab) de Virginie (États-Unis) ou au Dapnia de Saclay (France), aucune n'a permis d'observer le moindre pentaquark, jetant ainsi le doute sur leur existence. Par ailleurs, aucun hadron de nombre baryonique supérieur à 1 n'a été observé dans la nature ou dans les accélérateurs de particules, mais là encore, on peut imaginer par exemple des hadrons hexaquarks comportant six quarks (B = 2). Les chercheurs ne désespèrent pas d'observer dans un futur proche des hadrons à plus de trois quarks ou antiquarks, dans les prochaines générations d'accélérateurs de particules. 4 HISTORIQUE En 1963, Murray Gell Mann et George Zweig émettent indépendamment l'idée de l'existence des quarks. Ils suggèrent que les mésons et les baryons sont constitués de quarks et d'antiquarks, appelés up, down ou strange (u,d,s) de spin 1 / 2 et de charges électriques fractionnaires respectives 2 / 3, - 1 / 3 et - 1 / 3. Comme ces charges fractionnaires n'ont jamais été observées, l'introduction des quarks est davantage considérée comme une explication mathématique de la saveur des particules massives que comme le postulat d'un objet physique actuel. La même année, Sheldon Glashow et James Bjorken suggèrent l'existence d'un quatrième quark portant une autre saveur à laquelle ils donnent le nom de charmed (ou charmé). Très peu de physiciens prennent à l'époque cette suggestion au sérieux. Au cours d'une expérience de diffusion d'électrons sur des protons, effectuée au sein du Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) en 1968, les électrons semblent rebondir sur des petits noyaux durs à l'intérieur du proton. En 1969, James Bjorken et Richard Feynman analysent ces données en termes de particules constituant les protons : l'existence des quarks est prouvée. Il faut néanmoins attendre 1975 pour que le quark c soit observé simultanément au SLAC en Californie et au BNL (Brookhaven National Laboratory) sur Long Island (New York). À la surprise générale, une équipe du Fermilab découvre en 1977 un nouveau quark : le bottom, également appelé beauty (ou beauté). Les physiciens ayant compris que les quarks existent par paire, cette découverte entraîne de facto la recherche du sixième et dernier quark. Après dix-huit ans de recherche dans de nombreux accélérateurs, le quark top (également appelé truth, soit vérité) est enfin découvert au sein du Fermilab, à l'aide de deux détecteurs : le CDF (Collider Detector at Fermilab) et le D0 (DZero). Sa masse énorme de 175 GeV, égale à celle d'un atome d'or, et sa durée de vie extrêmement courte permettent d'expliquer les difficultés rencontrées par les chercheurs pour mettre en évidence ce quark, qui constituait la pièce manquante du modèle standard. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.