Sommaire

La multiplication des particules

Le premier classement des particules

Dans les 20 années suivantes, une multitude de nouvelles particules furent mises en évidence par les physiciens dans le rayonnement cosmique, puis auprès d'accélérateurs de particules. On tenta de classer ces particules en familles, dotées de propriétés communes :

  • Les leptons, insensibles à l'interaction forte (électron, muon, neutrino)
  • Les hadrons, sensibles à l'interaction forte (proton, neutron, pion)

Ces hadrons furent eux-même subdivisés en deux groupes en fonction de leur spin entier (méson) ou demi-entier (baryon). De plus, on observa que certaines interactions pion-noyau (interaction forte) donnaient naissance à des hadrons uniquement par paires. De plus, ces particules mettaient plus de temps à se désintégrer que prévu. On appela ces nouvelles particules (chsi, lambda, sigma) les particules étranges.

Le zoo des particules

Chronologie des découvertes

En 1953, on postule l'existence d'un nouveau nombre quantique additif, l'étrangeté, conservé dans les interactions électromagnétiques et nucléaires fortes, ce qui permet de rendre compte de la production par paire des particules étranges.

Au début des années 60, avec l'avènement des chambres à bulles, on observe une multitude de nouvelles particules "élémentaires". On en dénombre plus de 80 en 1964. Ce trop-plein conduit les physiciens à remettre en question ce concept de particules élémentaires et recherchent alors un autre modèle de classement.

La naissance des quarks

Le classement de Gell-Mann

Le classement des baryons

En 1960, Murray Gell-Mann propose un classement des particules en fonction de leur masse, de leur charge, de leur nombre quantique, de leur étrangeté et de leur isospin fort. Gell-Mann voit alors apparaître une structure pour les baryons et les mésons.

L'axe vertical, orienté vers le bas, donne l'étrangeté S, l'axe horizontal I3 la composante d'isospin, et l'axe oblique Q la charge électrique. Les particules sont représentées par les cercles roses, et leurs symboles figure à côté. Le cercle divisé en deux représente les deux particules indiquées en regard, qui diffèrent par diverses propriétés, notamment leur masse.

Cette représentation permet de classer les hadrons les plus fréquemment observés : les baryons de spin 1/2, les mésons de spin 0 et les baryons de spin 3/2. Les physiciens croyaient alors avoir trouvé la clé du puzzle qu'il leur manquait.

Le modèle des quarks de Gell-Mann

La composition du proton - La composition du neutron

La symétrie de ces digrammes conduit Murray Gell-Mann à l'idée que les hadrons ne sont pas élémentaires, mais qu'ils sont eux-mêmes composés de particules plus petites, de charge électrique 2/3 et -1/3 par rapport à la charge électrique de l'électron, et de spin 1/2.

Il baptise ces éléments "quarks" et existeraient sous trois formes, ou saveurs : up (u), down (d) et strange (s). Cela serait suffisant pour expliquer la structure d'un grand nombre de hadrons.

Malgré sa géniale intuition, Gell-Mann considérait les quarks comme un concept purement mathématique. Il était convaincu qu'on ne mettra jamais en évidence leur présence au sein des hadrons.

Le terme quark provient des lectures de Gell-Mann : "I came across the word "quark" in the phrase "Three quarks for Muster Mark.", extrait de Finnegans Wake, de James Joyce."

La couleur des quarks

L'existence des particules Delta++ (uuu), Delta- (ddd) et Omega- (sss) contenant trois quarks identiques et de même spin était en apparente opposition avec le principe de Pauli. Un nouveau nombre quantique fut donc introduit : la couleur. Chaque quark peut ainsi être rouge, vert ou bleu (anti-rouge, anti-vert ou anti-bleu pour les anti-quarks).

La couleur n'affecte que les particules soumises à l'interaction forte, et n'est pas observée à grande échelle dans les états liés (hadrons). Les hadrons sont donc globalement neutres de couleur, ce qui explique cette appellation pour ce nouveau nombre quantique.

Les assemblages de quarks ne peuvent donc se faire que de deux façons :

  • Quark-antiquark : ce sont les mésons
  • Quark-quark-quark ou antiquark-antiquark-antiquark : ce sont les hadrons

La preuve expérimentale

Les quarks existent

Les quarks étaient-ils réels ? La réponse fut donnée entre 1968 au SLAC (Stanford Linear Accelerator) et 1970 au CERN. Avec un faisceau d'électrons de 20 GeV, le pouvoir de résolution était sensiblement plus petit que la taille du proton.

L'étude de la diffusion d'un faisceau d'électrons par des protons montre que la concentration des charges électriques du proton n'était pas uniforme.

Une partie des électrons était diffusée à grand angle, de façon similaire à la diffusion des alpha par le noyau. Comme le noyau, le proton avait une sous structure. De plus, on confirma la charge fractionnaire des sous-constituants du proton.

On découvrit également que les quarks se déplacent quasi-librement à l'intérieur du proton, comme s'ils n'étaient soumis à aucune contrainte alors qu'il est impossible d'observer un quark isolé : on parle de liberté asymptotique.

Des expériences plus poussées montrèrent que les hadrons n'étaient pas seulement composés de quarks. Les théoriciens postulèrent l'existence d'une mer de quarks et d'antiquarks virtuels, en plus des quarks de valence (uud pour le proton par exemple).

Une nouvelle théorie, la ChromoDynamique Quantique (QCD), vit le jour. Dans le cadre de cette théorie, les interactions entre quarks étaient régies par les gluons.

Les quarks lourds

La co-découverte du charme

L'existence d'une quatrième saveur de quark, le charme, de charge +2/3, est postulée en 1964 suite aux développements théoriques de la QCD. En 1970, au même moment, il est découvert par deux équipes concurrentes !

L'équipe de Ting reçu tous les honneurs car leur découverte avait été publié 1 jour avant celle de l'équipe de Richter. Comme l'une l'a baptisé J, et que l'autre l'a appelé psi, le méson c-cbar est passé à la postérité sous le nom de méson J/psi.

La troisième famille de quarks

En 1977, au Fermilab de Chicago, le quark b, pour beauté, est mis en évidence sous la forme du méson b-bbar. Ce quark extrêmement lourd et de charge -1/3 est le premier élément de la troisième famille de quarks, celle des quarks lourds.

Etant donné que la première famille était composée des quarks up et down, la seconde des quarks strange et charm, la troisième famille devait forcément contenir un second quark.

En 1994, toujours au Fermilab, le quark top est observé. C'est le plus massif des quarks (175 GeV/c2), ce qui explique qu'il a fallu attendre autant de temps pour sa mise en évidence, le temps de disposer de machines assez puissantes pour le produire.