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.
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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 :
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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 +2⁄3) et un quark down (de charge électrique −1⁄3). Le total des charges des quarks donne donc une charge électrique au proton de +4⁄3−1⁄3 = +1 ; le proton possède ainsi une charge électrique positive.
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).
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.
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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.
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).
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.
Dans 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... [...]
