11.4 : Quarks
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À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Comparez et opposez les six quarks connus
- Utiliser la composition en quarks des hadrons pour déterminer la charge totale de ces particules
- Expliquer les principales preuves de l'existence des quarks
Dans les années 1960, les physiciens des particules ont commencé à se rendre compte que les hadrons ne sont pas des particules élémentaires mais qu'ils sont constitués de particules appelées quarks. (Le nom « quark » a été inventé par le physicien Murray Gell-Mann, à partir d'une phrase du roman de James Joyce Finnegans Wake.) Au départ, on pensait qu'il n'y avait que trois types de quarks, appelés up (u), down (d) et strange (s). Cependant, ce nombre est rapidement passé à six, ce qui est intéressant, le même que le nombre de leptons, pour inclure charmed (c), bottom (b) et top (t).
Tous les quarks sont des fermions à moitié de spin\((s = 1/2)\), ont une charge fractionnée\((1/3\) ou\(2/3 e)\), et ont un nombre de baryons \(B = 1/3\). Chaque quark possède un antiquark ayant la même masse mais une charge et un nombre de baryons opposés. Les noms et propriétés des six quarks sont répertoriés dans le tableau.
| Quark | Charge (unités de e) | Espagne (s) | Numéro Baryon | Numéro d'étrangeté |
|---|---|---|---|---|
| Vers le bas (d) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Vers le haut (u) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Étrange (s) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | - 1 |
| Breloque (c) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Bas (b) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| Top (t) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
Combinaisons Quark
Comme mentionné précédemment, les quarks se lient en groupes de deux ou trois pour former des hadrons. Les baryons sont formés de trois quarks. Des exemples de baryons, y compris la teneur et les propriétés des quarks, sont présentés dans le tableau. Il est intéressant de noter que le baryon delta plus (\(\Delta^+\)) est formé à partir des trois mêmes quarks que le proton, mais que le spin total de la particule est de 3/2 au lieu de 1/2. De même, la masse de \(\Delta^+\) avec un spin 3/2 est 1,3 fois la masse du proton, et le baryon delta zéro (\(\Delta^0\)) avec un spin 3/2 est 1,3 fois la masse du neutron. De toute évidence, l'énergie associée au spin (ou moment cinétique) de la particule contribue à son énergie massique. Il est également intéressant de noter qu'aucun baryon ne possède de quarks top, car les quarks supérieurs se décomposent trop rapidement pour se lier aux autres quarks lors de leur production.
| Nom | symbole | Quarks | Charge (unité de e) | Espagne (s) | Masse \((GeV/c^2)\) |
|---|---|---|---|---|---|
| Proton | p | u u d | 1 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 0,938 |
| Neutron | n | u en d | 0 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 0,940 |
| Delta Plus Plus | \(\Delta^{++}\) | u u u | 2 | 3/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta Plus | \(\Delta^+\) | u u d | 1 | 3/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta zéro | \(\Delta^0\) | u en d | 0 | 3/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Delta moins | \(\Delta^-\) | d d d | -1 | 3/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1.232 |
| Lambda zéro | \(\Lambda^0\) | u d s | 0 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1,116 |
| Sigma positif | \(\Sigma^+\) | u u s | 1 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1,189 |
| Sigma neutre | \(\Sigma^0\) | u d s | 0 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1,192 |
| Négatif xi | \(\Xi^-\) | s d s | -1 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1,321 |
| Neutre xi | \(\Xi_0\) | s u s | 0 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1.315 |
| Oméga moins | \(\Omega^-\) | s s s | -1 | 3/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 1,672 |
| Lambda charmé | \(\Lambda_{C+}\) | u x c | 1 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 2,281 |
| Bas charmé | \(\Lambda_{b0}\) | u d b | 0 | 1/2 | \ ((GeV/C^2) \) » style="text-align:center ; » class="lt-phys-4557"> 5.612 |
Les mésons sont formés de deux quarks : une paire quark-antiquark. Des exemples de mésons, y compris la teneur et les propriétés des quarks, sont présentés dans le tableau \(\PageIndex{3}\). Considérez la formation du pion (\ (\ pi^+ = u \ overline {d} \)). Sur la base de sa teneur en quarks, la charge du pion est
\[\dfrac{2}{3}e + \dfrac{1}{3}e = e. \nonumber \]
Les deux quarks sont spin-half (\(s = \dfrac{1}{2}\)), donc le spin résultant est soit 0, soit 1. Le spin du\((\pi^+)\) méson est de 0. La même combinaison quark-antiquark donne au méson rho (\(\rho\)) un spin de 1. Ce méson a une masse environ 5,5 fois celle du\(\pi^+\) méson.
Montrez que la composition en quarks donnée dans le tableau\(\PageIndex{2}\) for\(\Xi^0\) est conforme à la charge, au spin et à l' étrangeté connus de ce baryon.
Stratégie
\(\Xi^0\)est composé de deux quarks étranges et d'un quark up (s u s). Nous pouvons additionner les propriétés des quarks pour prédire les propriétés résultantes du\(\Xi^0\) baryon.
Solution
La charge du quark s est\(-e/3\) et la charge du quark u est de 2 e /3. Ainsi, la combinaison (s u s) n'a pas de charge nette, en accord avec la charge connue de \(\Xi^0\). Comme trois\(-1/2\) quarks de spin peuvent se combiner pour produire une particule ayant un spin de 1/2 ou 3/2, la composition des quarks est conforme au spin (\(s = 1/2\)) connu de\(\Xi^0\). Enfin, l'étrangeté nette de la combinaison (s u s) est \ ((-1) + 0 + (-1) = -2 \), ce qui concorde également avec l'expérience.
L'importance
La charge, le spin et l'étrangeté de la\(\Xi^0\) particule peuvent être déterminés à partir des propriétés des quarks qui le constituent. La grande diversité des baryons et des mésons peut être attribuée aux propriétés de six quarks seulement : haut, bas, charge, étrange, haut et bas.
Quel est le numéro baryonique d'un pion ?
- Réponse
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Couleur
Les quarks sont des fermions qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli. Il peut donc être surprenant d'apprendre que trois quarks peuvent se lier entre eux au sein d'un noyau. Par exemple, comment deux quarks up peuvent-ils exister dans la même petite région de l'espace au sein d'un proton ? La solution est d'inventer une troisième nouvelle propriété pour les distinguer. Cette propriété est appelée couleur et joue le même rôle dans les interactions nucléaires fortes que la charge dans les interactions électromagnétiques. Pour cette raison, la couleur du quark est parfois appelée « charge forte ».
Les quarks sont disponibles en trois couleurs : rouge, vert et bleu. (Ce ne sont que des étiquettes : les quarks ne sont pas réellement colorés.) Chaque type de quark \((u, \, d, \, c, \, s, \, b, \, t)\) peut posséder n'importe quelle autre couleur. Par exemple, trois quarks étranges existent : un quark étrange rouge, un quark étrange vert et un quark étrange bleu. Les antiquarks sont anticolores. Les quarks qui se lient pour former des hadrons (baryons et mésons) doivent être de couleur neutre, incolores ou « blancs ». Ainsi, un baryon doit contenir un quark rouge, bleu et vert. De même, un méson contient une paire de quarks rouge-antirouge, bleu-antibleu ou vert-antivert. Ainsi, deux quarks peuvent être trouvés dans le même état de spin dans un hadron, sans violer le principe d'exclusion de Pauli, car leurs couleurs sont différentes.
Confinement de Quark
Les premières preuves solides de l'existence de quarks proviennent d' une série d'expériences réalisées au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) et au CERN vers 1970. Cette expérience a été conçue pour sonder la structure du proton, un peu comme Rutherford a étudié la structure à l'intérieur de l'atome avec ses expériences de diffusion de \(\alpha\) particules. Des électrons sont entrés en collision avec des protons dont l'énergie était supérieure à 20 GeV. À cette énergie, \ (E \ approx pc \), donc la longueur d'onde de Broglie d'un électron est
\ [\ lambda = \ dfrac {h} {p} = \ dfrac {hc} {E} \ environ 6 \ fois 10^ {-17} m. \ nonnumber \]
La longueur d'onde de l'électron est beaucoup plus petite que le diamètre du proton (environ\(10^{-15} m)\). Ainsi, comme une automobile qui traverse une chaîne de montagnes rocheuses, les électrons peuvent être utilisés pour sonder la structure du noyau.
Les expériences SLAC ont révélé que certains électrons étaient déviés à de très grands angles, indiquant de petits centres de diffusion à l'intérieur du proton. La distribution de diffusion était cohérente avec la diffusion d'électrons à partir de sites ayant un spin 1/2, soit le spin des quarks. Les expériences menées au CERN ont utilisé des neutrinos au lieu d'électrons. Cette expérience a également permis de trouver des preuves de l'existence de minuscules centres de diffusion. Dans les deux expériences, les résultats ont suggéré que les charges des particules diffusantes étaient\(+2/3e\) soit\(-1/3 e\), soit en accord avec le modèle quark.
Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur les quarks.
Les protons et les neutrons sont composés de trois quarks, non ? Faux ! Explorez la particule dont ils auraient dû vous parler quand vous étiez enfant !
Le modèle quark a très bien réussi à organiser le monde complexe des particules subatomiques. Il est toutefois intéressant de noter qu'aucune expérience n'a jamais produit de quark isolé. Tous les quarks ont une charge fractionnée et doivent donc être facilement distingués des particules élémentaires connues, dont les charges sont toutes un multiple entier de e. Pourquoi les quarks isolés ne sont-ils pas observés ? Dans les modèles actuels d'interactions entre particules, la réponse est exprimée en termes de confinement des quarks. Le confinement des quarks fait référence au confinement de quarks par groupes de deux ou trois dans une petite région de l'espace. Les quarks sont totalement libres de se déplacer dans cet espace et d'envoyer et de recevoir des gluons (les porteurs de la force forte). Cependant, si ces quarks s'éloignent trop l'un de l'autre, la force puissante les fait reculer. Cette action est assimilée à un bola, une arme utilisée pour la chasse (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les pierres sont attachées à un point central par une ficelle, de sorte qu'aucune des pierres ne peut trop s'éloigner des autres. Le bola correspond à un baryon, les pierres à des quarks et la corde aux gluons qui maintiennent le système ensemble.
