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Les hadrons sont une grande famille de particules composites contenant elle-même plusieurs sous-familles dont les exemples les plus connus sont les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons formant les noyaux des atomes.
On sait aujourd'hui que les nucléons sont en fait constitués de particules élémentaires (où qui semblent l'être) appelés quarks, ainsi que tous les autres hadrons connus, comme les mésonsmésons π et K. Les quarksquarks sont liés entre eux dans les hadrons par l'échange de particules sans massemasse analogues au photonphoton des forces électromagnétiques, les gluonsgluons.
On savait dès les années 1930 qu'il devait exister des forces nucléaires particulièrement fortes dans les noyaux entre les nucléons, puisque les forces électrostatiquesélectrostatiques répulsives entre les protons devraient les faire exploser. Il fallait aussi expliquer l'existence des neutrons qui, en l'absence de charge électrique, devaient bien être liés aux protons par des forces puissantes mais non électromagnétiques.
C'est le physicienphysicien russe Lev Okun qui, en 1962, a proposé d'appeler hadrons l'ensemble des particules sensibles aux forces nucléaires fortes. Issu du mot grec hadros, qui signifie plus ou moins large et lourd, il s'opposait à la dénomination de leptonlepton, du grec leptos, petit et léger, utilisée pour décrire les électronsélectrons et les neutrinosneutrinos. Ce choix était logique puisqu'un proton ou un neutron sont presque 2.000 fois plus lourds qu'un électron et considérablement plus que les neutrinos.
L'une des choses les plus difficiles dans l'apprentissage de la physique des particules est de comprendre tous les différents noms. Il y en a des dizaines et des dizaines et parfois plusieurs noms peuvent s'appliquer à une particule ou un seul nom peut s'appliquer à plusieurs particules. Tout cela est très déroutant. Heureusement, le Dr Don Lincoln du Laboratoire Fermi a réalisé cette vidéo pour vous aider à tout régler. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab
Les hadrons se subdivisent à leur tour en baryonsbaryons et mésons, les mésons ayant des masses intermédiaires entre celle des baryons et des électrons, les baryons contenant les nucléons et d'autres particules plus lourdes. Le terme baryon vient d'ailleurs du grec barys, qui signifie lourd.
C'est aussi pendant les années 1960 que des physiciens comme Murray Gell-Mann et George Zweig ont compris à partir de 1964 que les baryons étaient composés de trois quarks, et les mésons de quarks, plus exactement d'une paire quark-antiquarks. Il faudra attendre le début des années 1970 pour que l'on découvre qu'il existe six sortes de quarks : le quark upquark up (u), le quark downquark down (d), le quark étrangequark étrange (s), le quark charmecharme (c), le quark bottom (b) et le quark topquark top (t). Le nom quark a été donné à ces particules par Murray Gell-Mann et vient d'une œuvre de James Joyce, Finnegan's Wake. Ce sont des fermionsfermions de charge fractionnaire.
On dit que les quarks existent sous la forme de six saveurs et ils peuvent porter des sortes de charges électriques que l'on appelle des couleurscouleurs, au nombre de trois.
Les forces entre les quarks sont portées par des cousins des photons, les gluons, associés à un champ de force nucléaire forte gouverné par des équationséquations décrites par une théorie que l'on appelle la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics, en anglais) et que l'on doit à Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann.
Le début des années 1960 était une période de grande confusion dans le domaine de la physiquephysique des hautes énergiesénergies. La mise en service d'accélérateurs puissants après la Seconde Guerre mondiale avait permis aux physiciens de découvrir un zoo de particules nouvelles au comportement étrange, comme les mésons K. On commençait donc à soupçonner fortement que c'est le signe qu'elles ne sont pas élémentaires, comme ce fut le cas avec la découverte des atomes. La théorie des quarks et la QCD ont mis fin à cette confusion et ont permis de comprendre enfin ce zoo contenant des centaines de particules hadroniques et dont l'immense majorité sont instables, se désintégrant très rapidement, ce qui explique que dans la vie de tous les jours, seuls les nucléons sont vraiment observés.
La force la plus forte de l'Univers est la force nucléaire forte et elle régit le comportement des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons. Le nom de la théorie qui régit cette force est la chromodynamique quantique, ou QCD. Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Laboratoire Fermi explique les subtilités de cette composante dominante du modèle standard. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab
Les quarks n'existent pas à l'état libre, ou pour le moins dans un état de gazgaz dilué mais on peut les rendre libres en comprimant et chauffant des nucléons dans de très violentes collisions de noyaux lourds, ce qui produit un quagma, soit un plasma de quarks et de gluons. Si on le compare à un gaz, alors en se refroidissant rapidement par expansion il se forme des sortes de gouttes de liquideliquide, c'est-à-dire les baryons et les mésons. Le fait qu'il n'existe pas de quarks à l'état libre vient du fait que la force nucléaire entre les quarks ne décroît pas avec la distance comme dans le cas de la force électromagnétique mais en fait augmente. En tentant de séparer deux quarks, le champ de gluons entre les quarks devient si intense que de l'énergie est disponible pour former une paire de quarks-antiquarks, par exemple, et au final les quarks s'assemblent rapidement pour former d'autres mésons et baryons.
Les hadrons sont en fait des objets compliqués qui dans la majorité des cas ne peuvent pas être compris comme des sortes d'atomes avec des quarks sur des orbitesorbites tels les électrons autour des noyaux. Un hadron est en fait un mélange de quarks, antiquarks et gluons apparaissant et disparaissant sans cesse du fait d'effets quantiques autour des quarks constituant ces particules. De fait, des protons et des neutrons doivent leurs masses plus à l'énergie stockée sous la forme du champ de gluons entre les trois quarks constituants qu'aux masses propres des quarks. Si l'on a des raisons de penser que les masses de ces quarks sont déterminées par le champ du fameux bosonboson de Brout-Englert-Higgs, ce champ ne détermine en fait pas la masse des protons ou des autres hadrons.
