Les mystères de la chromodynamique quantique, des quarks au sexy sexaquark

This post is a French adaptation of this older post of mine, in which I discuss the basics of the theory of the strong interactions (also known as quantum chromodynamics).

_{[image credits: Wikipedia]}

Dans cet article, je vais me focaliser sur comment la théorie des interactions fortes prédit l’existence de systèmes composites faits de quarks.

Bien que l’on pourrait penser dans un premier temps aux neutrons et aux protons qui sont faits de quarks (ce qui est tout à fait correct), des bestioles plus exotiques (pour le grand public tout au moins) existent également.

Dans ce contexte, la tronche d’un sexaquark, très sexy, est représentée ici à droite.

Il se trouve que cette particule pourrait être un candidat potentiel pour expliquer la problématique de la matière noire dans l’universe, comme indiqué dans cet article.

AU COMMENCEMENT, NOUS AVIONS LES ATOMES

_{[image credits: homemade (from stuff available everywhere)]}

Sur la partie gauche de la figure ci-dessous, nous pouvons reconnaître ce qui est usuellement appelé un atome. Bien que les atomes peuvent être combinés ensemble pour donner lieu à des molécules, mon intérêt consiste à les déchiqueter pour aller voir ce qu’il y a à l’intérieur.

Les atomes ne sont pas des particules élémentaires et possèdent ainsi une soustructure. Rien de nouveau sous le soleil. C’est de la physique vieille de 100 ans…

Le cœur des atomes est ce qu’on appelle le noyau atomique autour duquel se baladent un certains nombres d’électrons périphériques. Le nombre exact d’électrons dépend de l’atome auquel nous portons attention.

Bien que les électrons soient élémentaires, les noyaux atomiques sont des objets composites faits de neutrons et de protons. Leur nombre exact dépend une fois de plus de l’atome auquel nous protons (euh portons) attention.

NEUTRONS ET PROTONS

Regardons à présent nos neutrons et protons. Ces derniers sont à nouveau composites et exhibent une soustructure mettant en jeu, dans une première approximation (qui ira très bien pour cet article), des quarks.

Dans cette approximation, les neutrons et protons peuvent être vu comme faits de trois quarks.

_{[image credits: Nobel Prize]}

Les quarks sont des particules élémentaires, sans soustructure, et deux types de quarks (les quarks up et down) sont suffisants pour arriver à former toute la matière qui nous entoure.

Dans la figure ici à gauche, nous illustrons un proton formé de trois quarks. A moins que cela soit un neutron… Difficile à dire à ce stade…

La cohésion du système est assurée par l’interaction forte, qui fait que nos quarks restent bien liés entre eux. Plus ou moins de la même façon que l’électromagnétisme explique pour quoi les électrons et les noyaux atomiques forment des atomes de façon stable.

LA CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE

Le fait que nos quarks forment des protons et des neutrons découle de la chromodynamique quantique, la théorie de l’interaction forte.

L’interaction forte a deux rôles concernant la structure de la matière. Non seulement, elle explique pourquoi les protons et les neutrons sont stables et faits de quarks, mais aussi pourquoi les neutrons et les protons peuveut se combiner de façon stable en noyaux atomiques.

Mais comment cela fonctionne en (un tout petit peu de) détails?

Tout comme les interactions électromagnétiques sont sensibles à la charge électrique des particules, l’interaction forte met en jeu une charge dite charge de couleur. Nous avons trois couleurs de base, le vert, le rouge et le bleu, ainsi que trois anticouleurs de base, l’anti-rouge, l’anti-vert et l’anti-bleu. L’antimatière est de retour pour nous ennuyer un petit peu ;)

A partir de cela, la règle d’or est simple: les systèmes composites permis sont blancs ou sans couleur.

ETATS COMPOSITES FAITS DE QUARKS

_{[image credits: Wikipedia]}

La façon la plus simple de former un système composite et sans aucun doute de prendre un quark d’une couleur donnée, et de lui associer un antiquark de l’anticouleur correspondante. En effet, rouge et anti-rouge donne blanc, tout comme vert et anti-vert ou bleu et anti-bleu.

Ces particules faites d’un quark et d’un antiquark sont appelées mésons, et il en existe tout un zoo découvert durant le siècle dernier. Sur la figure de droite, on peut observer un pion fait d’un quark up and et d’un antiquark down.

Le type de quark utilisé est au final totalement non pertinent. Seule la couleur est importante: il faut que la couleur du quark et l’anticouleur de l’antiquark correspondent.

_{[image: CERN]}

Mais nous pouvons aussi former un état non coloré en combinant trois quarks, à savoir un rouge, un bleu et un vert. La combinaison des trois couleurs de base est effectivement blanche.

De bons exemples sont le proton et le neutron que nous avons discutés en début de post. Mais nous avons aussi cette fameuse particule appelée Xi-c-c (voir ici à gauche) qui a été découverte au LHC (le Grand Collisionneur de Hadrons) du CERN il y a peu (voir ici).

Une fois de plus, il y a tout un zoo de particules faites de trois quarks, et ces particules sont appelées des baryons.

En principe, nous pouvons également construire des systèmes à 4 ou 5 quarks/antiquarks. Par exemple, si l’on prend deux quarks de couleur quelconque et deux antiquarks dont les anticouleurs correspondent, on obtient bien un système blanc. Les observations ont récemment démontré l’existence de tels tetraquarks et pentaquarks. Leurs propriétés sont actuellement en cours d’étude.

ET LES SEXY SEXAQUARKS ?

Par contre, aucune particule faite de six quarks (un sexaquark) n’a été observée pour le moment.

_{[image credits: Wikipedia]}

L’existence de sexaquarks (voir ici a gauche) a été proposée il y a 40 ans, puis cette option est tombée dans l’oubli jusqu’en 2017. Il s’agit d’un système fait de 6 quarks: 2 quarks up, 2 quarks down et 2 quarks étranges (nous avons 6 types de quarks en fait, et en voici trois).

Pour la couleur, cela nous donne deux quarks rouges, deux bleus et deux vertsß, soit deux fois blanc, c’est-à-dire blanc.

Les calculs ont montré qu’une telle particule doit être légère et métastable (elle se désintègre en un temps plus long que l’âge de l’univers).

Bien que les données soient très contraignantes, l’hypothèse n’est toujours pas exclue.

Et maintenant le point intéressant. Les propriétés du sexaquark coïncident avec celle attendue pour la matière noire! Cherchons-nous donc la matière noire trop loin?

De plus, le sexaquark pourrait expliquer pourquoi il n’y a plus d’antimatière dans l’univers. Ça en fait beaucoup pour un seul gars!

DISCUSSION ET REFERENCES

Dans ce post, j’ai discuté de l’interaction forte et comment des systèmes composites faits de quarks peuvent exister. On a parlé de mésons, de baryons, de tetraquarks et aussi de pentaquarks.

Récemment, l’idée exotique d’un sexaquark a été ressuscitée. Il s’agit d’une particule faite de six quarks qui pourrait non seulement expliquer la matière noire dans l’univers, mais aussi pourquoi toute l’antimatière a disparu.

Le seul hic est que nous n’avons pas encore observé de sexaquarks dans les données, car cette particule est en fait non triviale à observer. Il devrait cependant exister déjà plusieurs milliers de sexquarks dans les données du LHC, et des stratégies ad hoc existent pour les révéler.

Bien que ces stratégies existent, il n’y a cependant aucune information permettant de dire si elles sont utilisées par les collaborations du LHC, et si des résultats seront bientôt rendus publics. Nos collègues expérimentateurs ne peuvent effectivement pas tout faire en même temps… :)

Plus d’informations peuvent être obtenues dans cet article. Pour une introduction sur les bases de la chromodynamique quantique et la physique des particules, ce livre est top!

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Premiere fois que j'entend parler des sexaquarks. Je conaissais les tetraquarks (decouverts), les pentaquarks (peut etre decouverts si on arrive a distinguer une molecule hadronique (Baryon + Meson) d'un hadron a 5 quarks intimement lies). Les sexaquarks, c'est vrai qu'ils ont l'air sexy.

Pourraient ils exiter dans les 'strange stars'? :
Apres une supernova: le coeur d'une etoile massive disparait derriere l'horizon d'un trou noir, mais elle continue hypothetiquement a evoluer en une "Quark star" fait d'un plasma de ups et de downs. Puis, il y aurait une conversion de certains des ces quarks en Strange, donnant une soupe de ups, downs et stranges.

Je ne pense pas que les sexaquarks pourrait exister dans ces "strange stars", comme les hadrons classiques n'existent plus dans les etoiles a Quarks, mais c'est un domaine si peu connu, qu'on ne sait jamais:

La nature adore nous faire des surprises ;-)