Voyage vers l'infiniment petit
précédent
suivant
infos pratiques
crédits
Introduction
Mécanique quantique
Théorie quantique des champs
Electrodynamique quantique
Interaction faible
Modèle standard
Théories de grande unification
Supersymétrie, supergravité
Théorie des cordes
Conclusion
Ressources

Modèle des quarks

La symétrie de ces digrammes conduit Murray Gell-Mann en 1960 à l'idée que les hadrons ne sont pas élémentaires, mais qu'ils sont eux-mêmes composés de particules plus petites, de charge électrique 2/3 et -1/3 par rapport à la charge électrique de l'électron, et de spin 1/2. Il les baptise quarks. Trois quarks, dits up, down et strange, suffisent pour expliquer la structure d'un grand nombre de hadrons.

Murray Gell-Mann (né en 1929), physicien américain, professeur à l'Université de Chicago et au California Institute of Technology. Il classifie les hadrons et introduit le concept d'étrangeté. Pour expliquer leur diversité, il émet l'hypothèse que les hadrons ne sont pas élémentaires mais qu'ils sont constitués de particules plus petites qu'il appelle quarks. En collaboration avec Richard Feynman, il établit la théorie V-A de l'interaction faible. Prix Nobel de physique en 1969.

Le modèle des quarks de Gell-Mann suppose l'existence de trois quarks : up, down et strange, de charge électrique fractionnaire respective 2/3, -1/3 et -1/3, de projection d'isospin respective 1/2, -1/2 et 0.

Le modèle des quarks permet d'expliquer la structure des hadrons. En combinant par exemple les quarks avec les antiquarks, on obtient l'octet des mésons de spin 0.

Les baryons sont composés de trois quarks. Ainsi, le proton est composé de deux quarks up et d'un quark down, alors que le neutron est composé d'un quark up et de deux quarks down. Les mésons, eux, sont composés d'une paire quark-antiquark.

Structure du proton (uud) et du neutron (udd). On vérifie que la somme des charges des quarks est égale à la charge du nucléon : on obtient pour le proton 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1, pour le neutron 2/3 - 1/3 - 2/3 = 0.

Le modèle des quarks de Gell-Mann prédit aussi l'existence du hadron Ω-, de spin 3/2, formé par trois quarks s. Les expériences le mettront en évidence en 1964.

À l'époque où Gell-Mann élabore le modèle des quarks en se fondant sur les symétries mathématiques des diagrammes des hadrons, Feynman s'intéresse à la structure du proton en partant d'un point de vue expérimental : si le proton n'est pas élémentaire mais lui-même constitué de particules élémentaires, qu'il appelle partons, par quelles expériences peut-on les mettre en évidence ? James Bjorken reprend cette approche en 1969 et prédit le comportement des hadrons bombardés par des électrons énergétiques. La même année, au laboratoire Stanford Linear Collider (SLAC), Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor mettent en évidence les partons et les identifient aux quarks et autres particules assurant la cohésion des quarks dans le proton : le comportement des protons bombardés montre qu'ils sont constitués de « points durs ».

Jerome Friedman (né en 1930), physicien américain, professeur au MIT. En collaboration avec Henry Kendall et Robert Taylor, il effectue une série d'expériences à l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) en bombardant des protons et des neutrons avec des électrons de haute énergie. La manière dont les électrons sont diffusés montre que protons et neutrons ne sont pas des particules élémentaires mais qu'ils ont une structure interne. Prix Nobel de physique en 1990.

Henry Kendall (1926-1999), physicien américain, professeur au MIT. Prix Nobel de physique en 1990.

Robert Taylor (né en 1929), physicien canadien, professeur à l'Université de Stanford. Prix Nobel de physique en 1990.