LE QUARK

En plus des quarks up, down et strange, on en a introduit trois autres pour expliquer l'existence de certains hadrons découverts dans les années 70. Le tableau complet comprend le quark charmé (c), le quark bottom (b) et le quark top (t).

LE MODÈLE STANDARD

Il existe donc six quarks de type différent, tout comme il existe six leptons : électron, muon, particule t et leurs neutrinos respectifs. Pour les physiciens théoriques, cette analogie n'est pas fortuite. Au contraire, le fait que toute la matière de l'Univers soit le résultat de la combinaison de douze entités élémentaires est encourageant. Si, par ailleurs, on se limite à la matière la plus commune, on ne dénombre que quatre particules fondamentales impliquées : les quarks u et d, qui constituent les protons et les neutrons, l'électron et son neutrino.

Le modèle standard, la théorie qui est parvenue à mettre de l'ordre dans la physique subnucléaire, regroupe en un seul schéma les douze entités élémentaires. L'idée est que les leptons et les quarks, quoiqu'ils diffèrent substantiellement en ce qui concerne leur comportement par rapport à l'interaction forte, s'associent par couples. Par exemple, l'électron et le neutrino électronique font partie de la même famille que les quarks up et down. La deuxième famille est constituée du muon, du neutrino muonique, du quark charmé et du quark strange. La troisième comprend la particule t, le neutrino tauonique, le quark bottom et le quark top. Les trois familles se ressemblent beaucoup, même si elles diffèrent quant au poids des individus qui les composent. La première contient les particules les plus légères, la troisième les particules les plus lourdes. En théorie, il pourrait exister d'autres familles, contenant des leptons et des quarks plus lourds que ceux que l'on connaît actuellement. Leur découverte serait rendue difficile par leur masse élevée (et en définitive, par l'énergie nécessaire à leur production). En fait, il existe des considérations de caractère cosmologique qui portent à écarter cette hypothèse. Des calculs touchant la masse de l'Univers et les processus nucléaires qui se sont produits au cours de ses premiers instants, font penser qu'il n'existe pas plus de trois types de neutrinos, autrement dit pas plus de trois familles de particules (voir big bang).

Rappelons enfin que le schéma du modèle standard a son pendant dans le monde de l'antimatière. En effet, selon la mécanique quantique, il existe pour chaque particule une antiparticule, une sorte de négatif dans lequel toutes les caractéristiques (comme par exemple la charge électrique) sont interverties. Même si notre Univers est fait substantiellement de matière, il peut arriver que l'on rencontre un antiélectron ou un antiproton (constitué évidemment d'antiquarks).

LES PARTICULES MESSAGÈRES

La liste des leptons et des quarks (et de leurs antiparticules respectives) ne comprend pas toutes les particules élémentaires prévues par le modèle standard. Outre les ingrédients de la matière (et de l'antimatière), le modèle standard s'occupe en effet des interactions fondamentales et des entités qui en permettent la propagation dans l'espace : les particules messagères. Selon la physique quantique des champs, quand deux particules interagissent, elles échangent des particules messagères. C'est comme si deux individus se renvoyaient une balle. Le va-et-vient de la balle constitue une interaction entre les deux personnes, une interaction conditionnée par les caractéristiques de la balle elle-même. Si, par exemple, son poids est élevé, les deux individus ne pourront pas la lancer en étant très éloignés l'une de l'autre. Au contraire, si la balle a un poids nul, l'échange peut se faire, en principe, même à une distance infinie. Quelque chose d'analogue se passe dans le cas des interactions fondamentales. La force électromagnétique qui s'exerce entre un électron et un proton (ayant une charge électrique de signe opposé), consiste en un échange continu de photons. Le rayon d'action de l'interaction électromagnétique est infini, parce que la particule qui est responsable de sa propagation, le photon, a une masse nulle. La même chose vaut pour la force gravitationnelle, dont la particule messagère, l'hypothétique graviton, n'a pas encore été découverte. Les interactions faibles sont par contre transportées par les Z0, W+, W-, particules relativement lourdes et qui, par conséquent, ont un rayon d'action limité. Enfin, l'interaction forte, tout en présentant des points communs avec la force électromagnétique, se révèle plus complexe à décrire. Pour ce faire, on a dû introduire pas moins de huit particules messagères, dépourvues de masse, qui se déplacent d'un quark à l'autre et les collent en groupes de 2 ou de 3 : les gluons.

Les photons, les supposés gravitons, Z0, W+, W- et les gluons possèdent des spins entiers. Autrement dit, il s'agit de bosons et, exception faite du W+ et du W-, ils n'ont pas de charge électrique.