Les quarks composent toute la matière, mais n’ont jamais été vus par eux-mêmes. Et ils ont des « saveurs » et des « couleurs » – bien qu’aucun de ces deux termes n’ait de rapport avec ce qu’ils font réellement. Voyons pourquoi nous avons besoin de quarks pour comprendre le monde, et ce que signifient réellement leurs « couleurs » et leurs « saveurs ».

Pour beaucoup de gens, la question est de savoir pourquoi nous avons besoin de quarks. Cette question surgit souvent, surtout lorsque les gens apprennent que les quarks ne peuvent pas être séparés les uns des autres et que nous n’en avons donc jamais vu un seul. Les particules élémentaires comme les protons et les neutrons ne sont-elles pas suffisantes ? Pourquoi avons-nous besoin de les décomposer davantage, pour comprendre l’univers ?

La poésie du quark

Les premiers problèmes avec ce qui était considéré comme des particules « fondamentales » ont commencé à surgir dans les années 1960, lorsque des scientifiques tirant des électrons sur la matière les ont vus dévier dans différentes directions, apparemment sans raison. En observant comment et quand les électrons changeaient de direction, les scientifiques ont conclu que le noyau devait être composé de parties plus petites, dont certaines étaient « heurtées » par les électrons. Ces parties étaient plus petites que les protons que les scientifiques savaient être dans les noyaux atomiques. Ils ont réalisé que ces parties devaient se trouver à l’intérieur des protons eux-mêmes.

C’était une bonne nouvelle pour les scientifiques qui avaient essayé de simplifier ce qui était devenu un  »zoo » de particules. Au début de la décennie, deux physiciens différents, George Zweig et Murray Gell-Man, ont d’abord émis l’hypothèse que les particules n’étaient pas élémentaires, mais qu’elles étaient composées de différentes particules qui portaient soit un tiers, soit deux tiers de la charge de chaque particule. Tous deux ont eu l’idée de trois particules élémentaires très fondamentales qui constitueraient un grand nombre des particules qui ont tant proliféré en physique. Zweig nomme ces particules « as ». Gell-Man les appelait  »quarks », après une lecture de Finnegans Wake de James Joyce et du poème absurde  »Three quarks for Muster Mark ».

Cette nouvelle théorie a très bien fonctionné pour expliquer la charge, le spin et la masse. Elle a aidé à mettre en contexte les nombreuses particules subatomiques différentes. Au lieu d’un nombre déconcertant de particules élémentaires aux propriétés différentes, il n’y en avait que trois, dont la combinaison constituait la variété de particules que les scientifiques avaient découvertes. C’est un peu comme si l’on avait réalisé que les nombreuses substances présentes dans le monde pouvaient être comprises comme des combinaisons d’un nombre relativement restreint d’atomes. Deux combinaisons différentes de quarks pouvaient constituer un proton ou un neutron, tout comme deux combinaisons différentes d’atomes d’hydrogène et d’oxygène pouvaient constituer une eau ou un acide. Le seul problème était que personne n’avait la moindre preuve de l’existence des quarks – jusqu’à ce que quelque chose à l’intérieur des protons commence à faire partir les électrons dans des directions aléatoires. Lorsque les électrons se sont dispersés, la théorie apparemment superflue a été confirmée.

Au cours des décennies suivantes, d’autres quarks ont été ajoutés au système simplifié, portant leur nombre à six. Les gens ont découvert pourquoi on n’avait pas trouvé de quarks par eux-mêmes. La force qui les rapproche par paires ou par trois s’intensifie à mesure qu’ils s’éloignent les uns des autres, comme un élastique. Seuls des événements à très haute énergie peuvent les séparer, même pour une courte durée. Les quarks peuvent également changer de « saveur ». Bien que personne à ce jour n’ait jamais « vu » un quark seul, les résultats expérimentaux et les propriétés observées des particules correspondent si parfaitement à la théorie de leur existence, et ne correspondent à aucune autre théorie, que les scientifiques sont convaincus de leur existence. Elles expliquent trop de choses trop bien pour ne pas être là quelque part.

Les couleurs et les saveurs

Le nom « quark » provient d’un poème absurde, ce qui est juste – mais un rapide coup d’œil à un résumé de leurs propriétés donne l’impression que l’absurdité ne s’arrête pas au nom. Ils existent en « saveurs », ce qui ne veut rien dire, puisqu’on ne peut pas les goûter. Ils ont des couleurs, et leur étude s’appelle la chromodynamique quantique, mais il est clair qu’ils n’ont aucune couleur que nous puissions voir. Quelles sont ces propriétés étranges et pourquoi faut-il les nommer en propriétés qu’ils n’ont pas ?

Comme dit précédemment, les quarks ne se trouvent pas seuls. Ils errent par paires, et certaines paires font toujours équipe. Ces paires sont les suivantes, haut et bas, charme et étrange, haut et bas. Le premier quark mentionné dans chacune de ces paires a une charge de deux tiers d’unité de proton. Le deuxième quark de chaque paire a une charge d’un tiers négatif. Dans la théorie originale, deux quarks up et un quark down s’additionnent pour donner une charge de un positif – ou un proton. Deux quark down et un quark up ont des charges qui s’additionnent pour donner zéro, et constituent des neutrons. Mais si trois quarks ont des charges positives de deux tiers et trois quarks ont des charges négatives d’un tiers, alors pourquoi n’y a-t-il pas que deux quarks au total ? Quelle est la différence ? Chacun des quarks a une masse légèrement différente. C’est pourquoi on a découvert que les protons et les neutrons, lorsqu’on les a étudiés, avaient des masses légèrement différentes. La combinaison différente des quarks leur a donné une masse différente. Cette combinaison de charge et de masse, ainsi que quelques autres qualités plus ésotériques, constituent la « saveur » de chaque quark. Quant à savoir pourquoi ils ne peuvent pas simplement être appelés  »types » – peut-être devrions-nous demander à James Joyce.

Les couleurs sont une autre torsion des quarks. Elles sont une combinaison de nécessité théorique et de preuves expérimentales. Les quarks sont serrés les uns contre les autres dans un espace très petit, et le principe d’exclusion de Pauli stipule que deux particules ne peuvent pas exister dans le même état en même temps. Deux quarks up ne devraient pas pouvoir se trouver dans le même proton. Il fallait que quelque chose soit différent. C’est ainsi que sont apparues les « couleurs » de quarks. Les quarks bleus, rouges et verts existent dans chaque saveur. Ils s’assemblent pour former des particules incolores – de la même manière que de nombreuses lumières de couleurs différentes se mélangent pour former une lumière blanche incolore. Cela aurait pu être considéré comme un simple facteur de fantaisie pour la physique, mais les collisions expérimentales d’électrons et d’antiprotons ont indiqué qu’il y a trois fois plus de types de quarks qu’il n’y en aurait en se basant uniquement sur les  »saveurs ».

En fin de compte, les quarks sont si mystérieux parce que leurs propriétés ne ressemblent en rien à ce que nous expérimentons dans le macro-monde, et pourtant ils sont nommés pour des propriétés qui nous sont parfaitement familières. La traduction entre une couleur telle que nous la voyons et une couleur, telle qu’elle est dictée par des résultats mathématiques et expérimentaux, est désorientante. La meilleure façon de comprendre les quarks est de comprendre que, plutôt que d’être exotiques, ils servent à organiser et à simplifier le monde subatomique tentaculaire. Ils sont une sorte de tableau périodique des éléments – pour les éléments. Les scientifiques trouveront-ils des éléments plus petits ? Qui sait, mais si c’est le cas, espérons qu’ils lui donneront le nom d’un élément de Jabberwocky. J’aimerais voir un cours de physique sur les « mome raths ».

Top Image : Yarnalgo
Image de particule : Io9
Tableau des quarks : MissMJ

Via NASA deux fois, Hyperphysics trois fois, Particle Adventure, et Duke.