La physique quantique

Les hadrons : baryons et mésons (II)

Aujourd'hui encore les physiciens regroupent les composants de la matière en deux familles : les hadrons et les leptons, selon qu'ils ressentent ou non les interactions fortes. Les hadrons (mot qui vient du grec hadros qui veut dire fort) sont subdivisés en baryons (proton, neutron et hypérions) et mésons (p p ou pion, k ou kaon, h ou eta, etc), selon la valeur de leur nombre de spin et leurs propriétés. Tous les baryons ont une antiparticule de même charge. Ce sont aussi les constituants les plus lourds de la matière (0.9 à 1.7 GeV). 

Parmi les hadrons, le méson h est la seule particule à présenter un seul état, celui dans lequel sa charge est neutre. Toutes les autres existent sous différentes formes, à l'état de particule ou d'antiparticule, présentant une charge positive, négative ou neutre. p° est sa propre particule. C’est comme l’on dit un “état propre de la conjugaison de charge”.

Etant donné que les baryons assurent une certaine cohésion aux noyaux, leur interaction a une portée limitée, permettant aux nucléons de se briser ou fusionner. C'est le physicien japonais Hideki Yukawa qui prédit l'existence d'une particule appelée par la suite méson, pour servir de vecteur à cette interaction nucléaire forte. Nous détaillerons ce médiateur un peu plus loin.

La famille des hadrons regroupe donc les particules sensibles aux interactions fortes qui maintiennent la cohésion des nucléons dans le noyau. Outre les 92 éléments du tableau périodique, environ 250 autres particules ont été créées en laboratoire et complètent cette liste qui est remise à jour chaque année[4]. La plupart d’entre elles sont instables.

Les hadrons sont constitués de 3 quarks : les baryons contiennent 3 quarks, les antibaryons 3 antiquarks. Les mésons contiennent 2 quarks. Les quarks n'ont plus un nom mais une "saveur" différente (en anglais flavor) : up, down, strange, charm, bottom, top dont on retiendra la première lettre. Ces quarks auraient tout aussi bien pu s'appeler “hydrogène" ou "électron" mais ces noms étaient déjà utilisés !... Les physiciens ont donc préféré sortir du cadre ordinaire des noms de baptême en laisser libre cours à leur imagination. 

Ces quarks forment donc les soubassements de la matière. Certains chercheurs croient que les quarks eux-mêmes sont constitués de triplets de particules, les rishons ou préons (le proton serait alors constitué de 3 x 3 rishons). Nous toucherions là les fondements de la matière, mais aucune découverte récente ne vient supporter cette théorie[5].  

Une autre anomalie souleva bien des polémiques. Si les hypérions L^- , D⁺⁺ et W^- avaient le même état d'énergie et le même nombre de spin, ils violaient le principe d'exclusion de Pauli. Pourtant ces particules existaient. Walter Greenberg suggéra en 1964 qu'il devait y avoir une caractéristique supplémentaire, une symétrie au niveau des quarks qui n'était pas prise en compte dans la théorie, elle sera baptisée la "symétrie de couleur".

Les physiciens ont attribué une "couleur" aux quarks pour préciser, non pas leur charge électrique, mais une propriété équivalente concernant l'interaction forte. Elle peut être rouge, verte ou bleue (antirouge, antiverte ou antibleue pour les antiquarks). Leur charge électrique est comparée à celle de l'électron prise pour unité[6]. La charge est de +2/3 pour les quarks u, c, t et de -1/3 pour les quarks d, s, b. Pour expliquer l'existence de la charge électrique entière des hadrons (mésons et baryons), les physiciens Yoichiro Nambu et M.Han démontrèrent en 1965 que les interactions entre quarks imposaient de les combiner de façon "incolores". Leur théorie traitant des variables dynamiques des quarks et de leur couleur, elle sera baptisée "chromodynamique quantique" ou CDQ en abrégé, par référence à l'électrodynamique quantique, l'EDQ. 

Ainsi le proton devait être composé des trois quarks d, u, u ayant les couleurs vert, bleu et rouge : par exemple down-vert + up-bleu + up-rouge. Idem pour les mésons qui devaient se combiner avec leur anticouleur pour donner une couleur neutre (quark up-rouge avec quark antidown-antirouge donnent un méson p⁺). La charge du proton égale la somme de la charge des quarks (+2/3 +2/3 -1/3 soit +1, donc positive). Le neutron contenant deux quarks d et un quark u, sa charge est neutre (-1/3 -1/3 +2/3 soit 0). Comme nous le verrons, CDQ prédit également l'existence du "charmonium" J/Y, une particule constituée des quarks c et anti-c et de bien d'autres particules "charmées" ainsi que des quarks b et t. 

A la différence de l’EDQ où le photon est électriquement neutre et agit sur de courtes distances entre électrons par exemple, en CDQ les gluons portent une interaction de couleur qui peut interagir sur de grandes distances, c’est le confinement. C’est l’expérience de Dick Taylor, Henry Kendall et Jerry Friedman qui permit de découvrir la structure du photon, les quarks, découverte sensationnelle pour laquelle ils seront gratifiés du Prix Nobel de Physique.

A gauche le détecteur ATLAS du CERN qui étudie les collisions proton-proton à l'échelle du TeV dans le cadre du projet LHC. A droite le calorimètre hadronique Atlas en chantier au CERN. Constitué de plaques d'aciers juxtaposées, son rôle consiste à capturer les protons et de renvoyer un signal proportionnel à leur nombre et donc à leur énergie. Documents CERN.

Les liens qui maintiennent les quarks sont si forts qu'il est actuellement impossible de les détecter, les accélérateurs de particules n'étant pas en mesure de briser les hadrons, le confinement des quarks provoquant une barrière d'énergie peut-être inaccessible. Cette interaction forte peut-être comparée à un élastique aux extrémités duquel nous aurions placé un quark (nous représentons le cas des mésons, composés de deux quarks). Plus l'élastique s'étend plus la force à vaincre devient importante. Si on dépasse son seuil d'élasticité, il se brise, formant deux élastiques. Il suffit alors de placer deux nouveaux quarks à leur extrémité libre pour retrouver un système original. Dans la nature, l'interaction entre quarks agit de même, mais les physiciens ne sont pas encore parvenus à vaincre ce “seuil d'élasticité”.

Dans les années trente Dirac[7] supposait l'existence de particules ayant une charge magnétique unique, les monopôles qui ne disposeraient pas du second pôle de signe opposé. Ces particules sont uniques en leur genre. Prenons l’analogie des aimants. Si vous brisez un aimant en deux parties, jusqu’à l’échelle atomique chacune d'elle présentera toujours un pôle attractif et un pôle répulsif. Et même à l’échelle atomique, l’unique proton et l’unique électron de l’atome d’hydrogène se repoussent encore. Le monopôle serait une particule insolite dans le sens où elle ne disposerait pas du second pôle magnétique.

Les théories de Grande unification considèrent que les monopôles peuvent exister isolément mais doivent avoir une masse colossale, quelque 10¹⁵ fois celle du proton, soit quelque 10¹⁶ eV. Imaginez qu’avec seulement 100 millions de monopôles vous auriez une masse pesant presque 2 gr ! (1GeV = 1.783 x 10^-24 gr).

A lire : La masse des particules

Les mécanismes de Higgs

Les leptons

La seconde famille de fermions regroupe les leptons, des particules élémentaires constituées de 2 quarks. La lettre "l" de lepton signifie que ces particules sont relativement légères. Mais cette terminologie n'a plus de raison d'être aujourd'hui. Les unes n'ont pas de masse, le muon “pèse” 10⁶ MeV tandis que le tauon “pèse” 1784 MeV. 

Les physiciens connaissent 6 leptons et 6 antileptons ; en fait 3 leptons de charge électrique négative (électron, muon, tauon) auxquels sont associés 3 neutrinos de charge nulle (en réalité leur masse varie entre quelque 4eV et 24 MeV) plus leur antiparticule. Tous ont un spin égal à 1/2 h. La théorie électrofaible impose que toute paire de lepton est associée à une paire de quarks. 

L'électron est le lepton dont la masse est la plus légère. Par définition, comme tous les leptons, il n'a pas de structure, c'est une particule élémentaire. Son énergie de repos vaut 0.511 MeV. Les leptons ne ressentent pas les interactions fortes. S'ils l'étaient, les électrons tomberaient tous sur le noyau empêchant les réactions chimiques et l'existence de la matière. Les électrons sont sensibles aux charges électriques, aux interactions électromagnétiques qui maintiennent les atomes en molécules. Rappelons aussi que même si la masse d'un atome est colossale (99.5% de la masse de l'hydrogène se trouve dans son noyau), c'est avant tout la charge électrique qui est l'interaction dominante, c'est-à-dire l'interaction électromagnétique de l'électron. L'énergie d'un atome est donc liée avant tout à la valeur de ses charges.

Prochain chapitre

Les particules virtuelles