Dans le Modèle Standard, les hadrons sont des particules composites constituées de quarks liés entre eux par l’interaction nucléaire forte au moyen des gluons. Le terme « hadron » est introduit par le physicien théoricien russe Lev Borisovich Okun, durant la Conférence Internationale de Physique des Hautes Énergies de 1962.

La dynamique des hadrons est étudiée théoriquement dès 1932 par plusieurs physiciens dont Werner Heisenberg, puis en 1935 le physicien japonais Hideki Yukawa propose la première théorie de l’interaction nucléaire forte. Sur la base de ces travaux, Murray Gell-Mann démontre en 1960 que les hadrons ne sont pas des particules élémentaires mais sont composées de particules plus petites qu’il baptise « quarks ».

Pour approfondir :

Le LHCb met en lumière un nouveau baryon

Quelques années après, en 1964, Gell-Mann et le physicien américano-russe George Zweig proposent indépendamment un modèle permettant de classer les hadrons selon leur composition. Ce modèle, appelé modèle des quarks, est aujourd’hui toujours effectif et intégré plus largement dans la théorie quantique de l’interaction forte — la chromodynamique quantique (QCD) — au sein du Modèle Standard.

Charge électrique et « couleur » des hadrons : le rôle des quarks

Les hadrons sont composés de quarks, et ce sont ces derniers qui déterminent les propriétés physiques de chaque hadron. En effet, les quarks sont des particules élémentaires possédant une charge électrique non-nulle. Par exemple, le proton est un hadron composé de trois quarks : deux quarks up (de charge électrique +​23) et un quark down (de charge électrique −​13). Le total des charges des quarks donne donc une charge électrique au proton de +​43−​13 = +1 ; le proton possède ainsi une charge électrique positive.

hadrons quarks gluons

Les hadrons sont des particules composites constitués de quarks liés entre eux par les gluons. Ce sont les quarks qui déterminent les propriétés physiques des hadrons. Crédits : CNRS

En plus d’une charge électrique, les quarks possèdent également une charge de couleur. La charge de couleur est une propriété conférée aux quarks et aux gluons par l’interaction forte, dans le cadre de la chromodynamique quantique.

Trois couleurs sont ainsi assignées artificiellement aux quarks : rouge, vert et bleu. La QCD interdit aux quarks d’évoluer librement hors des hadrons, ils doivent nécessairement être confinés au sein de ces derniers ; ce phénomène est appelé « confinement de couleur ».

En conséquence, pour respecter le confinement de couleur, la combinaison des quarks à l’intérieur des hadrons doit être blanche ou incolore. Cela peut être réalisé de deux manières : soit une combinaison de trois quarks de couleurs différentes (rouge, vert, bleu) soit une combinaison quark-antiquark de couleurs opposées (rouge-antirouge par exemple).

quarks confinement couleur

Un hadron doit respecter le phénomène de confinement de couleur, c’est-à-dire que la combinaison de la couleur de ses quarks doit être blanche ou nulle. Cela est possible via une combinaison de trois quarks de couleurs différentes ou via une paire quark-antiquark de couleurs opposées. Crédits : Maschen

Leur nature de particules composites offre aux hadrons la possibilités d’exister sous des états excités, au-delà de leur état fondamental, appelés des « résonances ».

La résonance hadronique se présente comme un pic d’énergie lié à la durée de vie de la particule et ne concerne en général que les particules de haute énergie. La résonance hadronique s’estompe extrêmement rapidement sous l’effet de l’interaction forte. En dehors du proton et de l’antiproton, tous les autres hadrons sont instables et se désintègrent relativement rapidement.

L’origine de la masse des hadrons

Les quarks composant les hadrons sont appelés des « quarks de valence ». Ce sont des quarks stables par opposition aux quarks, antiquarks et gluons virtuels qui apparaissent et disparaissent en permanence à l’intérieur du hadron, en raison des fluctuations quantiques du vide. Les gluons virtuels composent ainsi la majorité des particules existant au sein des hadrons.

hadrons masse gluons virtuels

Les quarks de valence contribuent pour moins d’1% à la masse totale des hadrons. La quasi-totalité de la masse provient de la « mer » de gluons virtuels existant au sein du hadron. Sur cette illustration, les trois quarks de valence ainsi que les très nombreux gluons virtuels qui les entourent sont visibles. Crédits : DOE

La quasi-totalité de la masse des hadrons ne provient pas des quarks de valence qui les constituent. En effet, les physiciens s’en sont rendus compte pour la première fois avec le proton, lorsqu’ils ont calculé que la somme des masses des quarks de valence — acquises par leur couplage avec le champ de Higgs — était très inférieure à la masse mesurée du proton. La majorité de la masse provient en réalité des gluons virtuels, du fait de l’équivalence masse-énergie.

Différents types de hadrons

Selon leur composition, les hadrons peuvent être divisés en deux sous-familles. La famille des baryons — comme le proton et le neutron — constitués de trois quarks, et la famille des mésons — comme le pion et le kaon — constitués d’une paire quark-antiquark. Les baryons et les mésons présentent ainsi des propriétés physiques différentes.

Les quarks étant des particules de spin 1/2, les baryons, composés de trois quarks, possèdent un spin demi-entier ; ce sont donc des fermions. À ce titre, ils sont soumis à la statistique de Fermi-Dirac et au principe d’exclusion de Pauli.

La chromodynamique quantique prédit l’existence de baryons exotiques, c’est-à-dire de baryons composés de plus de trois quarks. En 2015, le LHCb a mis en évidence l’existence de deux pentaquarks (3 quarks + 1 paire quark-antiquark) nommés P+c(4380) et P+c(4450).

hadrons baryons mesons quarks

Les hadrons peuvent être divisés en deux types selon leur composition en quarks. Les hadrons constitués de trois quarks sont des baryons, et ceux constitués d’une paire quark-antiquark sont des mésons. Crédits : CERN/LHCb

Étant constitués d’une paire quark-antiquark, les mésons possèdent quant à eux un spin entier ; ce sont des bosons. Ils sont ainsi soumis à la statistique de Bose-Einstein et ne sont pas assujettis au principe d’exclusion de Pauli.

De la même manière, la QCD prédit également des mésons exotiques composés de plus d’une paire quark-antiquark. En juin 2016, quatre tétraquarks (2 paires quark-antiquark) ont été découverts au LHCb : X(4140), X(4274), X(4500) et X(4700). Au-delà du Modèle Standard, d’autres configurations mésoniques comme les boules de glu (mésons composés exclusivement de gluons) sont théorisées.

2 Réponses

  1. Michael

    Lorsque futura-sciences a commencé à publier des définitions au sein de son fil d’actualités, des fonds d’ecran, des recettes de cuisine, des « dossiers » et je ne sais quoi d’autre, j’ai commencé à ne plus les suivre: la vocation consistant à présenter et s’intéresser à l’actualité était perdue, noyée par la recherche de trafic à tout crin et la montée en puissance de la publicité. Il y a quelques années de cela je pensais que ce serait la fin pour eux et je ne devais pas être le seul à ré agir ainsi: vous pourrez observer avec intérêt l’evolution de leur popularité sur Google trends qui s’est progressivement effondrée. PourtaBt, il existe de nombreuses sources moins connues qui fournissent des sujets d’actualité qui mériteraient d’être traduites (comme NextBigFuture, il faut chercher !). Ce qui fait votre force aujourd’hui c’est le qualitatif, et de rester focus sur les découvertes/actualités scientifiques donc bravo mais je vous conjure de conserver cet axe et de ne pas vous « dévoyer » !

    Répondre
    • Trust My Science
      Trust My Science

      Bonjour,

      Merci pour votre avis !

      Proposer des définitions ne peut qu’être un plus dans le contenu (pour les lecteurs qui désirent en savoir toujours plus), mais nous avons mis ces dernières en avant sur la page d’accueil uniquement pour montrer à nos lecteurs cette nouveauté, mais elles ne le seront dorénavant plus, afin de conserver une page d’accueil basée sur l’actu. De ce fait, vous aurez toujours autant d’actualités qu’avant (voire même plus bientôt), et les définitions ne sont qu’un complément consultable. Cela ne changera donc absolument rien pour celui qui ne veut que des news :-).

      Cordialement,

      Répondre

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.

baryons particules modele standardDans le Modèle Standard, les baryons sont des particules composites constituées de trois quarks liés entre eux par les gluons (bosons médiateurs de l’interaction nucléaire forte). Avec les mésons, les baryons font partie de... [...]

Lire la suite

fermions definition particulesLes fermions constituent, à côté des bosons, l’une des deux grandes familles de particules définies par le Modèle Standard. Ce sont des particules, élémentaires ou composites, dotées d’un spin demi-entier et obéissant à la statistique de Fermi-Dirac. Classiquement, les fermions sont considérés comme les... [...]

Lire la suite

Ce site utilise des cookies

La publicité étant notre principale source de revenu (sans elle, nous n'existerions pas), nous utilisons des cookies afin de l'adapter. Ces derniers nous permettent également de faire des analyses statistiques (anonymes) dans le but d'améliorer notre site. Les cookies servent également à conserver vos préférences si vous êtes logués. Ainsi, nous vous garantissons une meilleure expérience sur notre site. Si vous continuez à utiliser ce dernier, nous considérerons que vous acceptez nos modalités relatives aux cookies.