« Le noyau atomique/Les nucléons : protons et neutrons, quarks et gluons » : différence entre les versions

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==Les quarks et les bosons==
 
Les nucléons sont eux-mêmes composés de particules plus élémentaires : les quarks et les gluons. Les quarks et gluons ne sont pas eux-mêmes composés de particules plus petites, du moins dans l'état actuel de nos connaissances : on dit que ce sont de particules élémentaires.

===Les quarks===

Il existe six sortes de '''quarks''', appelées quarks ''up'', ''down'', ''strange'', ''charm'', ''bottom'' et ''top''. Chaque type de quark est appelé une saveur, terme que nous réutiliserons quand nous parlerons de la désintégration bêta. Ils se différencient par leur charge électrique, ainsi que par d'autres propriétés physiques liées à la physique quantique (saveur, charge de couleur, ...). À noter que chaque quark est associé à un anti-quark (Pour rappel, les anti-particule sont à opposer aux particules normales : chaque particule est associée à une anti-particule dont les propriétés sont strictement inverses, à l'exception de la masse et du spin). La charge électrique des quarks et anti-quarks est une fraction de la charge électrique élémentaire <math>e</math> (qui est, pour rappel, la charge de l'électron) : elle vaut soit le tiers, soit les deux tiers de e.
 
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|}
 
===Les gluons===
Il faut noter que les quarks et anti-quarks peuvent s'échanger leur couleur au cours du temps. Il est ainsi parfaitement possible qu'un quark passe de la couleur rouge à la couleur verte, tant que le hadron reste de couleur blanche. Un quark peut ainsi prendre toutes les couleurs et anti-couleurs possibles, tant qu'il échange sa couleur avec celle d'un autre quark/anti-quark. Cet échange est ce qui caractérise l'interaction forte, c'est lui qui attire les quarks ensemble et les force à s'assembler en hadrons. L'échange des couleurs se fait par des particules transporteurs appelées '''gluons'''. Les gluons sont des particules non-chargées électriquement, qui possèdent une masse. Ils portent à la fois une couleur et une anti-couleur. Si on compte les combinaisons couleur/anti-couleur possibles, cela fait huit possibilités différentes, soit huit gluons différents. Ils interagissent avec les quarks et leur donnant la paire couleur/anti-couleur qu'ils portent : un gluon bleu/anti-rouge absorbé par un quark rouge va le transformer en quark bleu ; ou encore un quark vert pourra émettre un gluon vert/anti-rouge en devenant rouge. De même, les gluons naissent quand un quark perd sa couleur : il émet alors un gluon qui contient la couleur perdue, sous la forme d'une paire couleur/anti-couleur.
 
Il faut noter que les quarks et anti-quarks peuvent s'échanger leur couleur au cours du temps. Il est ainsi parfaitement possible qu'un quark passe de la couleur rouge à la couleur verte, tant que le hadron reste de couleur blanche. Un quark peut ainsi prendre toutes les couleurs et anti-couleurs possibles, tant qu'il échange sa couleur avec celle d'un autre quark/anti-quark. Cet échange est ce qui caractérise l'interaction forte, c'est lui qui attire les quarks ensemble et les force à s'assembler en hadrons. L'échange des couleurs se fait par des particules transporteurs appelées '''gluons'''. Les gluons sont des particules non-chargées électriquement, qui possèdent une masse. Ils portent à la fois une couleur et une anti-couleur. Si on compte les combinaisons couleur/anti-couleur possibles, cela fait huit possibilités différentes, soit huit gluons différents. Ils interagissent avec les quarks et leur donnant la paire couleur/anti-couleur qu'ils portent : un gluon bleu/anti-rouge absorbé par un quark rouge va le transformer en quark bleu ; ou encore un quark vert pourra émettre un gluon vert/anti-rouge en devenant rouge. De même, les gluons naissent quand un quark perd sa couleur : il émet alors un gluon qui contient la couleur perdue, sous la forme d'une paire couleur/anti-couleur.
 
Les gluons interagissent avec les quarks et leur donnant la paire couleur/anti-couleur qu'ils portent : un gluon bleu/anti-rouge absorbé par un quark rouge va le transformer en quark bleu ; ou encore un quark vert pourra émettre un gluon vert/anti-rouge en devenant rouge. De même, les gluons naissent quand un quark perd sa couleur : il émet alors un gluon qui contient la couleur perdue, sous la forme d'une paire couleur/anti-couleur.
 
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|[[File:Gluon boson.gif|vignette|Échange de couleurs entre un quark bleu et un quark vert, par l'intermédiaire d'un gluon vert/anti-bleu.]]
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Fait important, les gluons observés dans la nature peuvent être vus comme un mélange de deux gluons purs, simples. C'est une propriété de la mécanique quantique assez étrange et difficile à comprendre, appelée le principe de superposition, qui fait qu'une particule peut être décrit comme une moyenne pondérée de deux particules pures. Dans le cas des gluons, les gluons dits purs portent à la fois une couleur et une anti-couleur. Si on compte les combinaisons couleur/anti-couleur possibles, cela fait neufs possibilités théoriques différentes, qui sont les suivantes :
 
: <math>r\bar{r}, r\bar{v}, r\bar{b}, v\bar{r}, v\bar{v}, v\bar{b}, b\bar{r}, b\bar{v}, b\bar{b}</math>, avec <math>r</math> la couleur rouge, <math>v</math> le vert et <math>b</math> le bleu, <math>\bar{r}</math> l'anti-rouge, <math>\bar{v}</math> l'anti-vert et <math>\bar{b}</math> l'anti-bleu.
 
{|class="wikitable"
|-
! Couleur/anti-couleur
! Anti-rouge
! Anti-vert
! Anti-bleu
|-
! Rouge
| <math>r \bar{r}</math>
| <math>r \bar{v}</math>
| <math>r \bar{b}</math>
|-
! Vert
| <math>v \bar{r}</math>
| <math>v \bar{v}</math>
| <math>v \bar{b}</math>
|-
! Bleu
| <math>b \bar{r}</math>
| <math>b \bar{v}</math>
| <math>b \bar{b}</math>
|}
 
Ces gluons purs peuvent former des combinaisons, qui sont elles-mêmes des gluons. Par exemple, la combinaison <math>b \bar{d} + b \bar{v}</math> est la moyenne d'un gluon <math>b \bar{b}</math> et d'un gluon <math>b \bar{v}</math>. Et il existe bien d'autres combinaisons, du type <math>b \bar{r} + b \bar{v}</math>, <math>r \bar{r} + b \bar{v}</math></math>, et j'en passe. Chaque combinaison forme un gluon impur, formé par le mélange de deux gluons purs.
 
Là où les choses deviennent plus intéressantes, c'est quand on analyse la combinaison suivante :
 
: <math>r \bar{r} + b \bar{b} + v \bar{v} = 0</math>
 
Cela devrait vous rappelez le mélange des couleurs primaire : du rouge, mélangé à du vert du bleu donne du blanc. Mais ici, cela signifie que les trois équations sont valides :
 
: <math>v \bar{v} + b \bar{b} = r \bar{r}</math>
: <math>r \bar{r} + b \bar{b} = v \bar{v}</math>
: <math>r \bar{r} + v \bar{v} = b \bar{b}</math>
 
La conséquence, c'est qu'une des combinaison pure ne l'est pas vraiment. Mais difficile de dire laquelle, si tant est qu'on puisse dire avec certitude qu'il y en a une qui soit vraiment impure. Disons pour simplifier que si on prend deux combinaisons et qu'on décide qu'elles sont pures, alors la troisième est impure. Et ce peu importe le choix des deux combinaisons pures. Ce qui fait que l'on peut dire qu'une des combinaisons est redondante, impure. Mais le choix de celle à éliminer est arbitraire ! C'est ce qui explique pourquoi les physiciens ont coutume de dire qu'il n'existe que huit gluons, en raison de cette redondance, et non neuf.
 
==Les hadrons : mésons et baryons==