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Nous savons aujourd'hui qu'il existe six saveurs de quarks dans la nature, c'est-à-dire six quarks qui diffèrent les uns des autres par les valeurs de leurs masses et de leurs charges, dont deux forment les nucléons. Initialement, quand leur existence a été proposée au début des années 1960 par des chercheurs comme Murray Gell-Mann, George Zweig et Yuval Ne'eman, il n'y en avait que trois, à savoir les quarks up (u), down (d) et strange (s). De plus beaucoup les considéraient comme de simples artifices mathématiques, ne pouvant être aussi réels qu'un électron ou un neutrinoneutrino. D'ailleurs, si les hadronshadrons connus à l'époque, c'est-à-dire les nucléons, les mésonsmésons et les hypérons, étaient bien composés de ces particules plus élémentaires, on devait pouvoir les observer à l'état libre en faisant entrer en collision des protonsprotons, avec suffisamment d'énergieénergie.
À la fin des années 1960, des cosmologistes comme Yakov Zel'dovich avaient même calculé que si les quarks avaient existé à l'état libre dans les premiers millionièmes de seconde de l'existence de l'univers, certains devraient encore exister comme tel aujourd'hui et devraient même être plus abondants que des atomesatomes d'or. Le scepticisme était de rigueur, même si une particule prédite par le modèle des quarks, l'Ω-, avait bien été observée dès les années 1960. Des vidéos historiques, avec les commentaires sur cette découverte de Richard Feynman et Murray Gell-Mann, sont disponibles sur YouTubeYouTube.
Un schéma montrant des combinaisons à trois quarks. Les baryons avec deux quarks b (dans la partie violette) manquent toujours à l'appel. Le Xi neutre avec quarks u, s et b a finalement été détecté. Tous les baryons laissés en cercles blancs sont ceux qui n'ont pas été découverts. © Fermilab
Il a fallu les observations en accélérateurs du début des années 1970 et la découverte de la théorie du confinement des quarks pour que la communauté scientifique admette leur existence. Ces mêmes années, la théorie décrivant les interactions fortesinteractions fortes entre ces quarks, la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique, passait des tests décisifs. La théorie électrofaiblethéorie électrofaible ne tarda pas à s'imposer aussi, liantliant quarks et leptonsleptons dans différentes réactions entres particules, mais au prix d'une multiplication par deux du nombre de quarks. Apparaissaient alors dans la théorie, les quarks beau (b), charmé (c) et top (t).
Des particules presque insaisissables
Le quark charméquark charmé a été découvert par Burton Richter au Slac et par Samuel Ting au Laboratoire national de Brookhaven, en 1974. Les quarks beau et top furent directement observés au Tevatron (Fermilab), respectivement en 1977 et 1994. Ces six saveurs de quarks peuvent se combiner par deux ou par trois et il en résulte que plusieurs dizaines de particules différentes sont possibles sur cette base. Ce sont donc les hadrons.
Les détails des réactions de désintégration du nouveau baryon. Les produits finaux suite à une cascade de désintégrations sont des protons p et des mésons pi. © Fermilab
En dehors des nucléons, les hadrons sont très, très instables et ne vivent que d'infimes fractions de seconde. Tout comme les atomes, ils possèdent des niveaux d'excitation, autant dire que c'est un véritable déluge de particules, toutes différentes les unes des autres, qui apparaît lorsque l'on réalise des collisions à hautes énergies entre protons et antiprotonsantiprotons.
Identifier celles qui sont les plus difficiles à produire et les plus instables est donc loin d'être simple et c'est pourquoi plusieurs hadrons manquent à l'appel. C'était le cas du , un baryonbaryon formé d'un quark u, d'un quark squark s et d'un quark b, finalement identifié aujourd'hui par le détecteur CDF, le même dont on avait pensé il y a quelques mois qu'il avait peut-être observé le mythique boson Z'.
