Quark

Quarks Proprietăți generale
Clasificare Fermiuni
Compoziţie Elementar
Proprietăți fizice
Masa

• u: 2,01 ± 0,14 MeV . c -2
• d: 4,79 ± 0,16 MeV.c -2
• s: 80 la 130 MeV.c -2
• c: 1,15 la 1,35 GeV.c -2
• b: 4,1 la 4,4 GeV.c -2

• t: 173,34 ± 0,76 GeV.c -2
Sarcină electrică

• u: +2/3 e : + 1.068 × 10 -19 C
• d: -1/3 e  : -5,34 × 10 -20 C
• s: -1/3 e  : -5,34 × 10 - 20 C
• c : +2/3 e  : + 1,07 × 10 -19 C
• b: -1/3 e  : -5,34 × 10 -20 C

• t: +2/3 e  : + 1,07 × 10 -19 C
A învârti 1/2

În fizica particulelor , un quark este o particulă elementară și un constituent al materiei observabile. Quarkii se asociază între ei pentru a forma hadroni , particule compozite, dintre care protoni și neutroni sunt exemple cunoscute, printre altele. Datorită așa-numitei proprietăți de izolare , quarkii nu pot fi izolați și nu au putut fi observați direct; tot ceea ce știm despre quark provine, așadar, indirect din observarea hadronilor.

Quarcurile se atrag reciproc printr-o forță fundamentală, o interacțiune puternică . Aceasta se realizează printr-un schimb de particule neutre din punct de vedere electric, dar purtând o sarcină de culoare , numită gluoni .

Cei șase quarcuri sunt fermioni pe care teoria modelului standard îi descrie, împreună cu familia leptonului , ca constituenți elementari ai materiei . Acestea sunt particule de spin 1/2, care se comportă în conformitate cu teorema spin-statistică . Numărul lor de taxare este +2/3 sau -1/3( sarcina lor electrică este astfel o fracțiune din sarcina elementară  : +2/3e sau -1/3e ). Acestei familii îi corespunde cea a celor șase antiquark-uri, de aceeași masă, dar cu sarcină opusă (-2/3e sau +1/3e ), și umplutură de culoare complementară.

Descriere

Existența quarkurilor este propusă în 1964de Murray Gell-Mann (1929-2019) și George Zweig .

Teoria Quark a fost formulată de fizicianul Murray Gell-Mann , care a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1969.

Termenul "quark" provine dintr-o frază din romanul lui James Joyce Finnegans Wake  : "  Three Quarks for Muster Mark!"  " .

Proprietăți

Aceste particule de spin 1/2 sunt de șase feluri, numite arome , cărora li s-a dat nume poetice. Numele în limba engleză sunt încă mai utilizate. Quarkii au o sarcină electrică fracționată -1/3 sau 2/3 din sarcina elementară , adică în unitatea în care sarcina protonului este +1.

Quark Nume engleză (franceză) Fracția de încărcare electrică elementară
d Jos (Jos) −1/3
tu Sus (Sus) +2/3
s Ciudat (Ciudat) −1/3
vs. Charm (Charm) +2/3
b Jos (jos), Frumusețe (Frumusețe) −1/3
t Sus (sus), Adevăr (Adevăr) +2/3

Paranteză istorică

Inițial, numele quarkurilor b ( jos , „tot jos”) și t ( sus , „toate sus”), au fost alese prin analogie cu cele ale quarkurilor u ( sus , „sus”) și d ( jos , "jos"). Totuși, foarte repede, acești quarks au fost redenumiți în frumusețe și adevăr , nume care au devenit standardele. Cu toate acestea, nicio dovadă experimentală a quarkului t (identificată abia în 1994) a reînviat îndoielile cu privire la validitatea modelului de quark și zicala „  modelul de quark nu are adevăr  ” ( „modelul de quark n 'nu are adevăr / nu este adevărat' ) a condus la lipsa utilizării perechii de termeni frumusețe / adevăr în favoarea termenilor de jos / de sus introduși inițial. În ciuda existenței dovedite a quarkului t , utilizarea curentă favorizează numele de jos și de sus .

Culoare

Cuarcii au, de asemenea, un alt număr cuantic care a fost numit încărcare de culoare . Un quark poate fi „roșu”, „verde” sau „albastru”, dar poate schimba culoarea schimbând un gluon (vezi mai jos).

Fiecărui quark îi corespunde o antiparticulă , numită anti-quark , de aceeași masă, dar cu sarcină electrică opusă și sarcină de culoare complementară, numită anti-culoare: un anti-quark poate fi astfel „anti-roșu”, „anti-verde . ”Sau„ anti-albastru ”.

Culoarea de aici este o analogie care explică faptul că nu se observă niciodată un quark singur. Datorită fenomenului de închidere a quarkului , putem observa numai particule „albe”, adică formate de exemplu din trei quarkuri de culori diferite: un roșu, un albastru și un verde, care dă un barion (care în sinteza aditivă a culorilor oferă un aspect „alb”), sau două quarkuri de culori complementare, cum ar fi roșu și anti-roșu, care conferă un mezon (prin „neutralizarea” aspectului colorat ).

Sarcina „colorată” este sursa interacțiunii nucleare puternice  : interacțiunea nucleară dintre nucleoni și mai general între hadroni este derivată din interacțiunea „colorată”. Deoarece interacțiunea dintre atomi și între molecule este ea însăși derivată din interacțiunea electromagnetică dintre protoni și electroni.

Această interacțiune „color” este de tip tripolar , în timp ce interacțiunea electromagnetică este dipolară (+ și -). Așa am ales să le denumim roșu-verde-albastru, deoarece neutralitatea este norma pentru electromagnetism, rezultatul neutru „alb” este norma pentru particulele formate prin această interacțiune.

Generaţie

La fel ca leptonii , modelele standard de quarkuri pot fi grupate pe generații  :

Generaţie Particulă de încărcare fracționată −1/3 Particulă de încărcare fracționată +2/3
1 st  generație Jos (d) Sus (u)
2 e  generație Ciudate Farmec (c)
3 e  generație Partea de jos (b) Sus (t)

Prima generație de quarcuri constituie „materie obișnuită” ( neutronii (cu sarcină electrică zero) sunt alcătuite din doi quarcuri Down și un quark Up , iar protonii sunt alcătuite din doi quark Up și un quark Down ). Cuarcii din a doua și a treia generație sunt mai grei, formează particule instabile și se descompun în quarcuri din prima generație.

Particule compozite, concept de hadron

Hadronii (particule grele) sunt alcătuite din quarcuri, așa cum au presupus Gell-Man și Néman în 1964 prin considerații de simetrie legate de matrici 3x3 care operează pe un C-ev. Ipoteza quarkului a fost confirmată de studiul împrăștierii profund inelastice a electronilor pe nucleoni, care a dezvăluit trei centre de împrăștiere ( Feynman în 1968). Quark-urile au această caracteristică că nu sunt observate aproape niciodată singure (fenomen de închidere ), cu excepția cazului în care în câteva cazuri speciale sunt întotdeauna grupate astfel încât:

Cuarcurile se adună astfel în hadroni . Există două tipuri principale, care se disting prin numărul lor de quarks principali, numiți „  quarks de valență  ”:

Toți acești hadroni sunt instabili, cu excepția celor mai ușori, a protonului și a neutronului atunci când este legat într-un nucleu . Durata de viață a acestora variază foarte mult în funcție de tipul de interacțiune: extrem de scurtă pentru cei care se degradează sub interacțiunea nucleară puternică (de ordinul a 10 -24 s), mai direct măsurabilă pentru cei care sunt stabili sub QCD și se descompun numai prin adăugarea electro-slabului interacțiune (de exemplu, 26 ns pentru pionul încărcat) și puțin mai puțin de 15  min pentru neutronul liber (care combină stabilitatea în QCD și spațiul de fază scăzut).

Alte ansambluri de quarkuri, cum ar fi tetraquarkurile formate din patru quarkuri sau pentaquarkuri , formate din cinci quarkuri (două perechi sus-jos și unul anti-ciudat) care desemnează de fapt patru quarkuri și un antiquark, sunt în principiu posibile și au fost observate în 2003 dar existența lor a rămas controversată. În 2015, CERN a identificat un pentaquark, confirmat în 2017; în cele din urmă,5 iunie 2019, colaborarea LHCb publică descoperirea a trei noi stări ale aceluiași pentaquark.

În plus față de quarcurile de valență, hadronii sunt compuși dintr-o „mare” de perechi quark-antiquark care participă la proprietățile generale ale hadronului și, în special, la masa acestuia.

Două excepții de la acest fenomen de închidere sunt:

Notă: În extremă, putem considera că stelele ciudate ( stele quark) sunt ansambluri macroscopice de quarks (U; D și S) legate de interacțiunea culorii, înainte ca gravitația să fie așa pentru stelele cu neutroni . Acestea din urmă au o masă minimă (teoretică) de 0,09 masă solară , în timp ce teoretic stelele de quark nu ar avea o masă minimă. Stelele Quark sunt la limita dintre observație și teorie.

Aceste asocieri de quark au fost evocate pentru a explica materia întunecată a Universului . Ar fi fost formați în primele momente ale Big Bang-ului , dar conservarea lor ar fi fost problematică de condițiile care domneau atunci.

Interacțiunea cuarcilor, concept de gluon

Quark-urile interacționează prin interacțiunea puternică , descrisă de cromodinamica cuantică, care are o structură similară cu cea a electrodinamicii cuantice, dar mai complicată decât cea din urmă. Încărcarea culorilor pentru interacțiunea puternică joacă apoi un rol similar cu cel al sarcinii electrice pentru interacțiunea electromagnetică.

Protonul este un barionic format din două până quarci și o singură jos cuarc . Sarcina sa electrică este: 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 sau +1. Neutron este , de asemenea , un barionic format din două în jos quarci și o singură sus cuarc . Încărcarea sa electrică este: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 sau 0. Prin urmare, este neutră.

Faptul că nu se poate izola un quark face ca măsurarea masei lor să fie extrem de aproximativă (a se vedea intervalele de erori din tabel). Nici măcar nu este clar că noțiunea de masă a unui quark poate avea un sens bine definit.

Comportamentul quarci în timpul, de exemplu, transmutarea unui proton într - un neutron (sau invers) , conduce cercetatorii de a suspecta că quarcii nu sunt în etapa finală a materiei și că acestea prea sunt compuse din mai multe entități. Mici , numite preons .

Gluoni

Mediatorii interacțiunii puternice se numesc gluoni . Ca și quarcurile, gluonii poartă încărcături de culoare, dar  atât de culoare, cât și de anticolor . La fel ca fotonii, au o sarcină electrică zero. Acestea sunt opt ​​la număr, ceea ce corespunde dimensiunii grupului utilizat pentru a descrie matematic interacțiunea puternică. Acestea interacționează cu quarks: un gluon albastru-anti-roșu absorbit de un quark roșu îl va transforma într-un quark albastru; sau un quark verde ar putea emite un gluon verde-anti-roșu atunci când devine roșu.

Observații

Masele de quark: masele indicate de quarks U și D sunt derivate numai din influența câmpului Higgs . De asemenea, luăm în considerare influența câmpului de gluoni, care este responsabil în medie de aproape 300  MeV .c -2 per quark, adică aproape toată masa. Într-adevăr, atunci când împărțim masa unui nucleon la trei (numărul de quarks) găsim într-adevăr ~ 300  MeV .c -2 (cu estimări de doar 4 până la 8  MeV .c -2 pentru quarkul D și 1, 5 la 4  MeV .c -2 pentru quarkul U).

Note și referințe

Note

  1. Matematic, quarcii se transformă în reprezentarea grupului de ecartament utilizat pentru cromodinamica cuantică.
  2. Matematic, anti-quarcii se transformă în reprezentarea grupului de ecartament utilizat pentru cromodinamica cuantică.
  3. În realitate, statele la 4.440 și 4.457  MeV înlocuiesc statul la 4.450  MeV anunțat în 2015.
  4. Electrodinamica cuantică se bazează pe grupul de gabarit care este abelian . Cromodinamica cuantică se bazează pe grupul de ecartament care este non-abelian și face ca studiul să fie extrem de complex, mai ales din cauza problemei nerezolvate a închiderii.

Referințe

  1. Taillet, Villain și Febvre 2018 , sv quark, p.  612, col.  1 .
  2. Gell-Mann 1964 .
  3. Zweig 1964a .
  4. Zweig 1964b .
  5. J. Joyce, Finnegans Wake , Penguin Books , p.  383.
  6. (în) Din ce feluri de quark sunt compuși protonii și neutronii? Care a fost numele vechi pentru quarkul de sus și de jos? Întrebări frecvente pe site-ul Jefferson Lab .
  7. (în) The Sapphire Collaboration, J. Barth, și colab. [1] , Phys.Lett. B572 (2003) 127-132. Articol disponibil pe arXiv .
  8. (în) Sonia Kabana, Revizuirea dovezilor experimentale este pentaquark și dezbatere critică , Titluri disponibile pe arXiv .
  9. „  Cern descoperă o nouă particulă  ” (accesat la 15 iulie 2015 ) .
  10. (în) R. Aaij și colab. (Colaborare LHCb), „  Observation of a Narrow Pentaquark State, P c (4312) + , and of the Two-Peak Structure of the P c (4450) +  ” , Physical Review Letters , vol.  122,5 iunie 2019, articolul nr .  222001 ( DOI  /10.1103/PhysRevLett.122.222001 , citit online [PDF] , accesat la 7 iunie 2019 ).
  11. Jean-Pierre Luminet, Destinul universului , edițiile Fayard, 2006, p.  204 .
  12. (în) Articol de Don Lincoln , director de cercetare la Fermilab , intitulat The Inner Life Of Quarks , publicat în revista Scientific American în noiembrie 2012. Articol publicat în franceză în nr .  428 iunie 2013 al revistei For Science .

Vezi și tu

Bibliografie

Articole similare

linkuri externe