particules élémentaires (suite)

Les quarks sont d’ailleurs peut-être des concepts dont la signification restera théorique, jouant pour les hadrons un rôle analogue à celui que les quasi-particules jouent en physique nucléaire ou en physique des solides. Mais ce sont des concepts dont l’utilisation est fructueuse. Par exemple, le fait que ce soient les mêmes quarks qui soient les composants des mésons et des baryons permet de déduire les propriétés des mésons de celles des baryons. On peut évaluer ainsi les propriétés électromagnétiques et leptoniques des mésons à partir du moment magnétique du proton et des caractéristiques de la radioactivité β du neutron : on calcule par exemple dans ce modèle la probabilité de désintégration du méson ω en π² + γ.

Diverses interprétations ont été recherchées pour les quarks. Notamment, H. Schiff a suggéré de les identifier aux monopôles magnétiques de spin 1/2, et J. Schwinger a proposé de les identifier avec des particules de spin 1/2 ayant à la fois une charge électrique et une charge magnétique qu’il dénomme « dyons ». L’hypothèse de l’existence dans la nature de monopôles ayant une charge magnétique g = 68,5 e.m. a été formulée par Dirac (1931), mais a déjoué jusqu’à présent toutes les vérifications expérimentales.

Les partons

Si le modèle des quarks est né de la considération de la symétrie unitaire et des classifications qu’elle permet, le modèle des partons a été introduit par Feynman en 1969 pour interpréter des propriétés dynamiques dans le cas de collisions entre hadrons à très haute énergie, mais il a pris son importance du fait des résultats expérimentaux obtenus dans la diffusion des leptons de très grande énergie sur les hadrons, avec production d’excitations variées. Lors de cette expérience de « diffusion inélastique profonde » d’électrons sur l’hydrogène ou le deutérium, à grands transferts d’impulsion, les pics de résonance disparaissent, et la figure de diffraction obtenue est caractéristique de diffuseurs ponctuels. La figure 1 schématise l’interaction qui se produit par l’échange d’un photon virtuel d’impulsion q. On constate que la section efficace intégrée tend, pour les grandes valeurs de q², à rester de l’ordre de celle de Mott, caractéristique de la diffusion sur une particule sans structure. De plus apparaît l’invariance par affinité, ou invariance d’échelle, la variable caractéristique étant qui ne dépend pas de l’énergie.

Le modèle des partons, développé par J. D. Bjorken, considère le nucléon formé de sous-structures libres et ayant de petits moments transverses que l’on peut négliger. Ces sous-structures, les partons, de spin 1/2, diffusent le photon de façon instantanée et incohérente. Tout se passe comme si l’électron « voyait » des sous-structures gelées dans le temps : c’est une approximation souvent employée sous le nom d’« approximation de l’impulsion » pour traiter des systèmes où l’énergie transférée par la particule incidente à un des constituants du système est grande devant l’énergie de liaison de ces constituants. On en déduit la loi d’échelle de Feynman, assurant que le pourcentage de l’énergie totale d’un système en interaction transféré à un type donné de particules est indépendant de l’énergie.

L’hypothèse des partons a été fondée sur l’observation de la structure granulaire du nucléon dans une interaction électromagnétique, mais les résultats expérimentaux les plus récents sont aussi très favorables à l’application de ce modèle dans les cas d’interaction forte et dans ceux d’interaction faible :
— on peut expliquer par la diffusion par les partons l’intensité très élevée de pions neutres animés de grandes quantités de mouvement transversales observée aux anneaux de collision à protons du Cern ;
— les expériences faites au Cern avec la chambre à bulles à liquides lourds Gargamelle sur la comparaison des sections efficaces totales d’interaction des antineutrinos et des neutrinos permettent de retrouver un rapport voisin de 1/3 qui est prédit par les modèles simples de quarks ou par les modèles où les partons ont des valeurs de spin demi-entières.

Si les hadrons sont composés de partons, il est tentant d’identifier les partons aux quarks. En fait, de nombreux modèles ont été développés à partir de cette idée, dont le principal donne au nucléon une structure en trois quarks (les « quarks de valence » accompagnée d’une mer infinie de couples quark-antiquark.

Certains de ces modèles comportent des ingrédients permettant des prédictions plus raffinées. Par exemple, on inclut parmi les constituants du nucléon des gluons, qui sont les quanta non chargés du champ de forces s’exerçant entre les quarks. On a d’autre part également essayé d’introduire les leptons dans une classification commune avec les hadrons en représentant les interactions faibles par des diagrammes de quarks qui incluent un quatrième quark, soit le quark D, de charge électrique 2/3, d’hypercharge 4/3 et de spin isotopique 0, soit le quark p′, de charge électrique 2/3, mais d’hypercharge – 2/3 ; le quatrième quark comporte un nouveau nombre quantique C ; dans certains modèles, on suppose que toute particule comportant le quatrième quark parmi ses composants ne peut pas participer à une interaction forte.

Les interactions fortes

Les interactions fortes, domaine des seuls hadrons, ont un traitement rendu aisé par les lois de conservation, qu’elles respectent. D’ailleurs, lorsqu’une violation d’une de ces symétries se manifeste, on l’impute au rôle d’un terme d’interaction faible entre hadrons, comme c’est le cas pour les légères violations de la parité observées dans les désexcitations nucléaires. Mais chaque occasion est recherchée pour vérifier expérimentalement les invariances, au fur et à mesure que l’on a accès à de plus grandes énergies. C’est ainsi qu’a été vérifiée au synchroton à protons de 70 GeV de Serpoukhov l’invariance CPT en comparant la section efficace totale de diffusion des antideutons sur le proton avec celle des deutons ; cette invariance a été également confirmée par la mise en évidence de noyaux d’antihélium 3.