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Les quarks et les leptons du modèle standard. Il existe six types de quarks différents. © Fermilab
Un quark est une particule élémentaire sensible à l'interaction forte. Les quarks forment les hadrons. Il existe six sortes de quarks : le quark up (u), le quark 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 sait aujourd'hui que les nucléonsnucléons, c'est-à-dire les protonsprotons et les neutrons, sont en fait constitués de quarks, ainsi que tous les autres hadrons connus, comme les mésonsmésons π et K. Les quarks sont liés entre eux dans les hadrons par l'échange de particules sans masse analogues au photonphoton des forces électromagnétiques, les gluonsgluons. Dans les années 1960, cette réalité était loin d'être évidente pour la plupart des physiciensphysiciens des particules élémentaires.
On savait bien sûr qu'il devait exister des forces nucléaires particulièrement fortes dans les noyaux, puisque les forces électrostatiquesélectrostatiques répulsives entre les protons devraient les faire exploser. Il fallait aussi expliquer l'existence des neutronsneutrons qui, en l'absence de charge électrique, devaient bien être liés aux protons par des forces puissantes mais non électromagnétiques.
Les deux créateurs de la théorie des quarks, Yuval Ne'eman et Murray Gell-Mann au début des années 1960. © universe-review
La QCD, issue de la théorie des quarks de Ne'eman et Gell-Mann
On savait déjà aussi que protons et neutrons n'étaient pas des objets ponctuels, mais leurs structures n'étaient pas mieux comprises que la nature de leurs interactions. Le déluge de particules nouvelles créées en accélérateurs, visiblement sensibles, elles aussi, à des interactions fortes, rendaient les théoriciens de plus en plus perplexes. Beaucoup commençaient à penser que la compréhension des forces nucléaires dépassait les capacités de l'esprit humain et qu'il fallait même renoncer à la théorie quantique relativiste des champs, qui s'était pourtant montrée puissante avec les impressionnants succès de l'électrodynamique quantique, la QEDQED.
La fin des années 1960 et surtout le début des années 1970 virent pourtant la constitution de la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique, la QCD, à partir de la théorie des quarks de Yuval Ne'eman et Murray Gell-Mann. Cette théorie quantique des champs relativistes commença rapidement à remporter d'impressionnants succès dans le monde hadronique. Ses créateurs devinrent célèbres, et les noms de Gross, Wilczek, Politzer, Gell-Mann, Ne'eman ou Nambu sont aujourd'hui familiers de tous les étudiants en physique des particules élémentairesphysique des particules élémentaires.
Toutefois, la QCD reste encore aujourd'hui énigmatique, car si la formulation de ses équationséquations est relativement facile, rétrospectivement bien sûr, leur résolutionrésolution analytique est une tâche d'une difficulté redoutable. La raison en est simple : les équations de la QCD sont non linéaires, et s'il est possible d'en tirer quelques prédictions physiques en approximant ces équations, on ne sait toujours pas en tirer analytiquement, par exemple, la massemasse du proton à partir de celles des quarks. On ne sait pas non plus démontrer pourquoi les quarks ne se trouvent jamais à l'état libre dans l'universunivers, sauf lorsque les hadrons sont soumis à des conditions de température et de pressionpression infernales.
