La chromodynamique quantique est une théorie de ces échanges de couleurs. Elle a permis quelques prédictions confirmées par l'expérience, et semble pouvoir expliquer une apparente contradiction : on n'a jamais observé de quark isolé, ce qui suggère que les quarks sont très fortement liés entre eux dans les particules ; pourtant, tout se passe souvent comme s'ils étaient libres. Plusieurs réactions s'expliquent en admettant qu'un quark d'une particule percute un quark d'une autre particule, et que les autres quarks présents ne jouent aucun rôle.

L'explication serait la suivante : la force prédite par la chromodynamique quantique augmente avec la distance, contrairement aux autres forces de la nature, qui diminuent quand la distance augmente entre les objets qu'elles lient. À l'intérieur d'une particule, les quarks sont très proches.

Ils se meuvent donc presque indépendamment les uns des autres ; les physiciens parlent de liberté asymptotique. Mais, si on veut extraire un quark d'un proton, il faut vaincre une force croissante. À certains moments, l'énergie fournie au quark se matérialise en une paire quark-antiquark : le quark créé retourne dans le proton, l'anti-quark se lie au quark extrait pour former un méson ; on a finalement créé un méson, gardé le proton, et on n'a pas obtenu de quark libre.

Upsilon

Il y a au moins quatre espèces de quarks. Mais, depuis la découverte, il y a deux ans, de la particule upsilon, les théoriciens sont persuadés qu'il existe d'autres espèces de quarks. En 1978, l'upsilon, ou plutôt la famille de particules dont il est le membre le plus stable, a été l'objet de diverses expériences, notamment à Hambourg où, en poussant à ses limites l'anneau de collision Doris, on a pu mesurer les masses de deux membres de cette famille. L'analogie avec la famille des particules psi est frappante. Les psi, découverts en 1974, ont montré l'existence du quark charmé c. De même, les upsilon imposent une nouvelle espèce b (bottom), et, pour des raisons théoriques, un quark t (top) doit apparaître à plus haute énergie. Un nouvel anneau de collision, Petra, est mis en service au printemps de 1979 à Hambourg. À l'automne, ce doit être le tour de l'anneau Pep de Stanford. Leurs énergies sont en gros le double de celles de Doris. Ils permettront de bien étudier les upsilon et de découvrir sans doute la famille construite sur le quark t. Ils permettront aussi de mieux étudier le lepton tau, qui semble être à l'électron et au muon ce que les quarks lourds t et b sont aux quarks plus légers.

Une science fondamentale qui trouve vite des applications : la physique des surfaces

La surface des corps solides a longtemps été considérée comme une simple frontière à la limite de deux domaines relevant d'études distinctes. Cependant, tout échange entre un solide et son environnement passe par sa surface, laquelle joue donc un rôle essentiel dans la réactivité des matériaux. Trois causes ont contribué, dans la période récente, a l'essor quasi révolutionnaire de la physique des surfaces, qui fait l'objet, au CNRS, d'une ATP (action thématique programmée) sous la direction du professeur Jacques Oudar.

– L'exploration spatiale a conduit à expérimenter, d'abord en laboratoire puis dans l'espace circumterrestre, le comportement de la matière dans un vide très poussé. L'absence d'atomes étrangers à leur surface permet à des pièces métalliques planes de se souder par simple contact. Ce phénomène, très gênant dans certains cas, peut également contribuer au développement d'une technologie spatiale.

– Des techniques nouvelles permettent d'obtenir des cristaux dont la surface est plane à l'échelle de l'atome. Des progrès considérables affectent les procédés d'analyse qui visent à déterminer la composition chimique d'une surface, sa structure cristalline et la répartition des niveaux d'énergie électroniques. Ces trois paramètres sont étroitement liés à la réactivité de la surface.

– Un nombre croissant de processus industriels requièrent une meilleure connaissance des phénomènes de surface, susceptible de multiplier plusieurs fois leur rendement. Tel est le cas de la métallurgie, de la fabrication des composants électroniques et de tous les processus chimiques où intervient la catalyse, notamment dans la lutte contre la pollution atmosphérique.

Métallurgie

Environ 20 % de l'acier utilisé annuellement dans le monde ne sert qu'à remplacer celui qui a été endommagé par la corrosion atmosphérique, sèche ou humide. Lorsqu'un métal est attaqué, il peut se former une couche protectrice ou, au contraire, une couche poreuse, qui amorce la corrosion en profondeur. L'évolution dépend du comportement des atomes de surface. Il en est de même des phénomènes d'adhérence, de frottement, de lubrification. Aux procédés empiriques utilisés jusqu'ici, la physique des surfaces permet de substituer des méthodes fondées sur la connaissance fondamentale des phénomènes.

Électronique

La miniaturisation toujours plus poussée des composants donne au rapport surface/volume des valeurs si élevées que la présence d'une couche d'atomes étrangers en surface peut modifier les propriétés du circuit dans lequel ils sont intégrés. L'adsorption des gaz à la surface d'un solide dépend largement de la structure cristalline de la surface. La connaissance fine de ce phénomène permettra de réduire les obstacles dans la fabrication des semi-conducteurs, et donc d'abaisser leur prix de revient.

Catalyse

L'adsorption joue également un rôle considérable dans les phénomènes de catalyse, qui sont à la base d'un très grand nombre de processus de la chimie industrielle. Ainsi, une étape fondamentale de la synthèse de l'ammoniac, pour la production des engrais azotés, est catalysée par le fer.