Quarks, Découverte de

Le XXe siècle a commencé avec la confirmation que la matière n’était pas continue mais faite d’atomes et de molécules minuscules. Cela s’est terminé par la confirmation que la matière est faite, en partie, d’objets encore plus minuscules appelés quarks.

Les atomes sont constitués de noyaux et d’électrons, et les noyaux sont constitués de neutrons et de protons. Cependant, en 1950, le proton et le neutron étaient considérés comme les constituants élémentaires finaux de la matière. Le pion était le porteur de la force forte qui attirait les protons et les neutrons pour former des noyaux, tout comme le photon était le porteur de la force électromagnétique qui liait les électrons et les noyaux en atomes. Mais en 1962, de nombreuses nouvelles particules inattendues avaient été découvertes. Ils ont d’abord été regroupés en familles appelées multiplets et décrits par la Voie octuple. En 1966, il est devenu clair qu’aucune des nouvelles particules ne pouvait être vraiment élémentaire. Le neutron, le proton et le pion n’étaient pas qualitativement différents comme l’électron et le photon; eux et toutes les nouvelles particules en interaction forte appelées baryons et mésons ont été construits à partir des mêmes blocs de construction encore plus petits maintenant appelés quarks.

La Voie octuple elle-même était déroutante car elle ne donnait aucune raison de trouver des multiplets particuliers. Comme la table de Mendeleïev des éléments chimiques, elle permettait de classer les soi-disant « constituants élémentaires de la matière », mais leur nombre même suggérait qu’ils ne pouvaient pas tous être élémentaires.

En 1963, Hayim Goldberg et Yuval Ne’eman ont souligné que toutes les particules connues pouvaient être construites mathématiquement à partir des trois mêmes blocs de construction, maintenant appelés quarks up(u), down(d) et strange(s), ainsi que leurs antiparticules, maintenant appelées antiquarks.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig ont osé proposer que ce sont bien les éléments constitutifs de base de la matière. Mais une grave difficulté est apparue. L’électron, le neutron, le proton et le pion ont tous été découverts expérimentalement sous forme de particules isolées qui pouvaient être détectées et créées individuellement et dont les trajets dans l’espace pouvaient être déterminés. Cependant, avec la technologie actuelle, les scientifiques ne sont toujours pas en mesure de créer ou d’étudier des quarks individuels. Mais les scientifiques croyaient déjà que la matière était constituée d’atomes et de molécules bien avant que quiconque ne les ait créés ou détectés individuellement. Peut-être que de futures découvertes rendront possible la création et la détection de quarks.

Il n’y a pas de réponses simples aux questions qui ont découvert l’atome, qui a découvert le quark et comment la réalité des atomes et des quarks a été établie. Une réponse possible apparaît dans le livre de E. D. Hirsch Jr. Les écoles dont nous avons besoin et Pourquoi Nous ne les avons pas: « La communauté scientifique tire des conclusions par un modèle de convergence indépendante (une sorte de triangulation intellectuelle), qui est avec une prédiction précise, l’un des modèles de confiance les plus puissants de la recherche scientifique. Il y a peu ou pas d’exemples dans l’histoire des sciences où le même résultat, atteint par trois moyens réellement indépendants ou plus, a été renversé » (p. 159). Hirsch cite la biographie d’Einstein d’Abraham Pais pour un exemple de cette convergence:

Le débat sur la réalité moléculaire a été réglé une fois pour toutes en raison de l’accord extraordinaire entre les valeurs de N obtenues par de nombreuses méthodes différentes. Les questions ont été réglées non pas par une détermination de N, mais par une surdétermination de N. À partir de sujets aussi divers que la radioactivité, le mouvement brownien et le bleu du ciel, il était possible d’affirmer, en 1909, qu’une douzaine de méthodes indépendantes de mesure de l’azote donnaient des résultats en accord remarquable les unes avec les autres.

En 1966, ce genre de preuves circonstancielles convainquit déjà Richard Dalitz que la matière était constituée de quarks, lorsqu’il donna son avis invité à la Conférence internationale annuelle sur la Physique des Hautes Énergies à Berkeley, en Californie. Ces preuves comprenaient l’existence de régularités expérimentalement observées dans les propriétés des particules créées dans les accélérateurs à haute énergie, le fait que les collisions entre différents types de particules étaient simplement liées, le fait que les propriétés électromagnétiques de différents mésons et baryons étaient simplement liées, le rapport expérimental observé des moments magnétiques du neutron et du proton, et le fait que l’annihilation d’un proton et d’un antiproton au repos produisait presque toujours trois mésons. Ceux-ci étaient autrement inexpliqués et convergeaient vers la même conclusion: les mésons et les baryons ont été construits à partir des mêmes blocs de construction élémentaires. Cette convergence indépendante a fini par convaincre tout le monde que toutes les nombreuses particules décrites par la Voie Octuple n’étaient pas les blocs constitutifs de base de la matière, comme on le croyait auparavant, mais étaient elles-mêmes construites avec des blocs constitutifs encore plus petits.

De nombreux physiciens des particules ne comprenaient pas pourquoi les quarks n’étaient généralement pas acceptés jusque dans les années 1970. Un problème était que les valeurs des charges électriques des quarks étaient plus petites que la charge électrique de l’électron. Le quark u a une charge électrique positive aux deux tiers de la valeur de la charge de l’électron, et les quarks d et s ont des charges négatives au tiers de la charge de l’électron. Jusqu’à présent, toutes les particules connues ont des valeurs de charge électrique qui sont des multiples intégraux de la charge de l’électron et de son antiparticule le positron. Ni particules chargées fractionnellement ni quarks isolés n’ont jamais été observés.

Pourtant, de plus en plus de preuves circonstancielles de l’existence des quarks en tant que blocs constitutifs à partir desquels toute la matière est construite se sont accumulées depuis 1966. Toutes les particules qui sont continuellement découvertes et qui s’insèrent dans les multiplets définis par la Voie Octuple se comportent comme si elles étaient soit construites à partir de trois quarks, soit à partir d’un seul quark et d’une seule anti-particule du quark appelée antiquark.

La recherche de preuves pour des Quarks individuels

Depuis la première proposition de quarks en 1964, les expérimentateurs recherchent des particules dont la charge électrique est inférieure à la charge de l’électron. Mais aucun n’a été trouvé. Toutes les preuves accablantes de l’existence des quarks provenaient des propriétés des mésons et des baryons qui indiquaient qu’ils étaient construits à partir de quarks.

Dans les années 1970, des expériences de tir d’électrons de haute énergie sur une cible à protons ont montré que les électrons frappaient et étaient dispersés par des quarks simples. Là encore, la preuve était toujours circonstancielle. Le quark lui-même n’a jamais été observé. Mais un électron dispersé par un objet pointilleux avec une charge électrique change sa direction de mouvement et change son énergie d’une manière bien définie et bien connue. L’étude des changements de direction et d’énergie dans les expériences de diffusion d’électrons a indiqué que les électrons étaient dispersés à partir de constituants pointus dans le proton avec les charges électriques fractionnaires prédites par le modèle de quark.

Ces expériences ont permis de confirmer que les quarks particuliers existaient vraiment. Mais ils ont soulevé deux nouvelles questions. Bien que les quarks aient été frappés très durement par l’électron et qu’ils aient absorbé une énergie et un élan très élevés, ils n’ont jamais été éliminés du proton. Les quarks libres isolés n’ont jamais été observés. Cela indiquait que les quarks étaient liés par des forces très fortes à l’intérieur du proton qui les maintenaient confinés. Mais les données de diffusion des électrons ont indiqué que les objets diffusant les électrons transféraient de l’énergie et de l’élan comme une particule libre, sans aucune preuve d’être contraints par de fortes forces. Ces deux énigmes ont été clarifiées dans le nouveau Modèle standard et ont reçu les noms de confinement et de liberté asymptotique.

Les forces qui lient les quarks en mésons et baryons sont si fortes à de grandes distances que séparer un quark de ses voisins coûte une énorme quantité d’énergie. Lorsqu’un quark d’un proton est frappé avec une énergie suffisante pour créer de nouvelles particules, une nouvelle paire quark-antiquark est créée. L’antiquark créé se combine ensuite avec le quark frappé pour créer un pion ou un autre méson, et le quark créé retourne aux autres constituants du proton d’origine. L’énergie produite par la frappe d’un quark dans un proton ne chasse pas le quark par lui-même hors du proton; le quark prend un antiquark qui a été créé par le grand transfert d’énergie, puis s’éteint sous forme de méson. Ainsi, les quarks isolés ne sont jamais observés en tant que produits de collisions à haute énergie; ils trouvent toujours des partenaires créés dans les collisions et se combinent avec eux pour former des mésons et des baryons. Ils sont donc toujours confinés en étant liés en mésons ou baryons et ne sont jamais observés comme des quarks libres isolés.

Des expériences plus récentes avec des collisions à haute énergie montrent comment un quark frappé crée des paires quark-anti-quark qui se recombinent de différentes manières pour créer une chaîne de mésons et de baryons. Le quark frappé se combine avec un antiquark créé pour former un méson, laissant le partenaire quark de l’antiquark chercher un nouvel antiquark créé, etc. Cela apparaît dans le détecteur de l’expérience sous la forme d’un « jet » de particules sortant du proton initial vers le quark frappé ou en tête.

Un analogue de ce phénomène de jet de notre expérience quotidienne est la foudre. Lorsque la charge électrique sur un nuage devient suffisamment importante, la force forte sur les atomes d’air devient si grande qu’ils se divisent en ions chargés positivement et négativement. Si le nuage est chargé négativement, il attire les ions positifs, laissant les ions négatifs chercher de nouveaux partenaires et créer une chaîne ou un « jet » dans l’air que l’on voit comme un éclair.

Le Modèle Standard explique maintenant comment ces forces fortes ne perturbent pas les expériences de diffusion d’électrons qui donnent des informations sur les charges électriques des quarks. La théorie des champs appelée chromodynamique quantique (QCD) affirme que bien que les forces entre quarks deviennent très fortes à de longues distances, elles deviennent si faibles à de courtes distances qu’elles sont complètement négligeables dans la diffusion d’électrons à haute énergie. Cette différence entre le comportement à courte et longue distance est appelée liberté asymptotique.

Les preuves circonstancielles à l’appui de l’image du quark

Il existe de nombreuses preuves circonstancielles à l’appui de l’existence du quark: l’accord avec les valeurs expérimentales de la charge électrique, du spin et des moments magnétiques des particules avec les prédictions du modèle de quark a fourni des preuves frappantes.

Les charges électriques des baryons fabriqués à partir de trois quarks avec des valeurs de charge électrique +⅔ et -⅓ ne peuvent être que +2, +1, 0 et -1. Les charges électriques des mésons fabriqués à partir d’un quark et de son antiquark conjugué à la charge ne peuvent être que de 1, 0 et -1. Plusieurs centaines de particules sont maintenant connues, et jusqu’à présent toutes n’ont que ces valeurs pour la charge électrique.

Le mouvement de rotation des particules et leur comportement similaire à de minuscules aimants ont fourni des indices importants sur leur structure. Un sommet chargé électriquement en rotation se comporte comme un aimant. La force du minuscule aimant de l’électron, appelé son moment magnétique, a été décrite avec succès par la célèbre théorie et équation de Paul Dirac.

Les moments magnétiques du proton et du neutron ont donné la première indication qu’ils n’étaient pas élémentaires mais avaient une structure plus compliquée. Le neutron n’a pas de charge électrique mais se comporte comme un aimant fait de charge négative en rotation. Cela suggère que le neutron n’est pas un objet élémentaire sans charge électrique, mais se compose de blocs de construction plus petits ayant des charges positives et négatives tournant dans des directions opposées. Le moment magnétique du proton est beaucoup plus grand que celui décrit par la théorie de Dirac.

L’un des premiers succès du modèle de quark a été de montrer comment les bonnes valeurs expérimentales des spins de particules et des moments magnétiques ont été obtenues en additionnant les contributions des spins de quarks et des moments magnétiques dans chacun. Un baryon composé de trois quarks aura un spin trois fois le spin de l’électron ou du proton si les spins sont parallèles et aura un spin égal au spin de l’électron si le spin de l’un est opposé au spin des deux autres. Un méson composé d’un quark et d’un antiquark aura un spin égal au double du spin électronique si les spins sont parallèles et un spin nul s’ils sont opposés et s’annulent. Les spins de toutes les particules mesurées correspondent à cette image.

Pour obtenir les valeurs des moments magnétiques dans le proton et le neutron, il faut d’abord noter que le proton est constitué de deux quarks u à spins parallèles et d’un quark d à spin opposé. Les quarks u et d ont des signes opposés de charge électrique, leurs aimants pointent dans la même direction lorsqu’ils tournent dans des directions opposées. Chaque moment magnétique de quark est proportionnel à sa charge électrique. Ainsi, les deux quarks u du proton de charge + contribute contribuent chacun à + units unités de Dirac de moment magnétique, tandis que le quark d de charge-⅓ tourne dans la direction opposée et contribue à – unit unité de Dirac. Dans une approximation grossière, on les ajoute pour obtenir le moment magnétique du proton en unités de Dirac +5/3. Le neutron a deux quarks d avec des unités de charge-⅓ et des spins parallèles chacun contribuant- units, et un quark u avec des unités de charge-⅔ et de spin opposé contribuant-⅔ pour donner un moment magnétique neutronique de -4 / 3 unités de Dirac. Cela donne -5/4 pour le rapport des moments magnétiques proton et neutron. Un calcul plus précis utilisant l’addition mécanique quantique de spins donne – 3/2, ce qui correspond remarquablement bien à la valeur expérimentale de -1,46. La somme des moments du neutron et du proton est ⅓ unité de Dirac. Une hypothèse raisonnable pour la valeur de l’unité de Dirac quark donne une valeur expérimentale de 0,33.

Ceci est typique de l’accumulation de preuves circonstancielles soutenant la croyance que les quarks sont les blocs constitutifs corrects de la matière. Tout d’abord, les charges électriques du neutron et du proton et de toutes les autres particules sortent à droite. Deuxièmement, les spins et les valeurs correctes très précises pour les moments magnétiques du neutron et du proton sont expliqués. Tout cela confirme l’image que les particules se comportent « comme si elles étaient faites de quarks. »Leur électricité, leur magnétisme et leur spin seraient très difficiles à comprendre s’ils n’étaient pas construits à partir de ces blocs de construction. Il ne serait pas clair, par exemple, pourquoi le neutron, qui n’a pas de charge électrique, a un moment magnétique similaire au proton, qui a une charge électrique, ou pourquoi le neutron a également le signe opposé et le rapport correct au moment protonique prédit par le modèle de quark.

Ceci n’est qu’un exemple des preuves circonstancielles soutenant la conclusion que les quarks sont les éléments constitutifs de base de toute matière. Le Modèle standard qui guide toutes les recherches théoriques et expérimentales en physique des particules commence par cette connaissance, même si des quarks individuels isolés n’ont jamais été observés.

Voir aussi: Octuple Way; Modèle Standard; Principes de symétrie