QUARKS
La deuxième et la troisième génération de quarks
C'est aussi au début des années 1970 que l'application du principe d'invariance de jauge à l'interaction nucléaire faible indique que les quarks doivent être groupés en doublets, le premier couple étant constitué des quarks d et u tandis que l’électron et le neutrino forment eux aussi un doublet leptonique. En 1970, les théoriciens prédisent que cette structure en couples implique l’existence d’un quark plus lourd, surnommé charme (c), qui accompagne le quark strange dans un doublet (s, c), le muon et son neutrino muonique complétant la seconde génération de fermions élémentaires. Cette prédiction s’accomplit en 1974 avec la découverte du charmonium (noté J/Ψun état lié composé principalement d’un quark c et de son antiquark. Le quark charmé est lourd, sa masse dépasse la masse du nucléon et il se désintègre rapidement en quarks plus légers par interaction faible. On détecte ensuite de nombreux mésons et baryons « charmés », c’est-à-dire contenant au moins un quark c.
Propriétés des quarks
Encyclopædia Universalis France
La découverte du quark b (pour bottom) en 1977 et du quark t(pour top) en 1994 dans des expériences menées au Fermilab (Fermi National Laboratory), près de Chicago, indique qu'au moins trois générations (ou familles) de quarks existent, comme c'est le cas pour les leptons (l’électron, le muon et le lepton tau). Les quarks b et t forment aussi un doublet. On étudie principalement les propriétés du quark b dans des collisionneurs à électron et positron dont on a ajusté l’énergie pour qu’une collision donne naissance à un méson B, porteur du quark b, et à son antiparticule. Le quark b a une masse environ trois fois plus grande que le quark c, et sa charge électrique égale celle des quarks d ou s. La très grande masse du quark t rend son étude extrêmement difficile. Contrairement aux autres quarks, il ne se lie pas à des quarks ou antiquarks légers pour former des mésons, car il se désintègre trop rapidement en un quark b (accompagné de leptons ou de quarks et antiquarks légers) pour que l’interaction forte parvienne à le confiner dans un hadron.
Bien que le nombre de ces particules soit très mal compris, les physiciens s'accordent à penser qu’il n’existe sans doute pas plus de trois générations, donc pas plus de six quarks. Les expériences menées au collisionneur LEP (Large Electron Positron Collider) d'électrons et de positrons du Cern, près de Genève, ont en effet permis de compter le nombre de types de neutrinos dont la masse est inférieure à une cinquantaine de fois celle du proton. Tous les neutrinos connus ayant une masse quasi nulle, on estime que le nombre trouvé (trois) est aussi le nombre de générations de quarks. La hiérarchie de masses des quarks reste incompréhensible à ce jour. Le mécanisme de Higgs déplace sans le résoudre le mystère, en reliant ces masses – différentes – à des couplages – d’intensités différentes – des champs de quark à un champ de Higgs universellement présent dans l’Univers.
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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Média
Propriétés des quarks
Encyclopædia Universalis France
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