Les quarks sont les constituants fondamentaux de toute matière, mais ne semblent avoir aucune structure et semblent être indivisibles. BlackJack3D/Getty Images Protons et neutrons, les particules qui forment les noyaux des atomes, peut sembler vraiment minuscule. Mais les scientifiques disent que ces particules subatomiques elles-mêmes sont constituées de quelque chose d'encore plus petit - des particules appelées quarks.
"Bien, Je pense que la façon la plus simple de le dire est que les quarks sont le constituant fondamental de la matière, de tout ce qui nous entoure, " explique Geoffrey West. C'est un physicien théoricien qui a fondé le groupe de physique des hautes énergies au Laboratoire national de Los Alamos et est maintenant Shannan Distinguished Professor au Santa Fe Institute. (Il est également l'auteur du best-seller 2017 " Scale, " sur la façon dont les lois mathématiques régissant la structure et la croissance du monde physique s'appliquent à la vie biologique et à la société humaine.)
Comme les électrons et autres leptons, les quarks ne semblent pas avoir de structure et semblent être indivisibles, comme expliqué par le physicien des particules de l'Université de Melbourne, Takaski Kubota, dans The Conversation.
Les quarks sont si petits qu'il est ahurissant d'essayer même d'exprimer leur taille estimée. Le professeur de physique de l'University College de Londres, Jon Butterworth, a expliqué que le rayon d'un quark est d'environ 2, 000 fois plus petit que celui d'un proton, qui à son tour est 2,4 billions de fois plus petit qu'un grain de sable.
L'existence des quarks a été proposée pour la première fois en 1964 par le physicien théoricien du California Institute of Technology Murray Gell-Mann, l'une des figures clés du développement du modèle standard de la physique des particules. Gell Mann, lauréat du prix Nobel de physique 1969, compris que pour expliquer les propriétés des protons et des neutrons, il fallait qu'ils soient constitués de particules plus petites. À la fois, un autre physicien de CalTech, Georg Zweig, a également eu l'idée de manière indépendante.
L'existence des quarks a été confirmée par des expériences menées de 1967 à 1973 au Stanford Linear Accelerator Center.
Une des choses étranges à propos des quarks, comme l'explique West, est qu'ils peuvent être observés, mais ils ne peuvent pas être isolés. "Il y a une différence subtile, " dit-il. " Ils sont comme des électrons en ce sens que les électrons sont fondamentaux, mais avec les électrons, nous pouvons les observer et aussi les isoler. Vous pouvez pointer vers un électron. Avec les quarks, vous ne pouvez pas en retirer un du noyau, le mettre sur la table et l'examiner. »
Au lieu, en utilisant de gigantesques accélérateurs de particules, les scientifiques accélèrent les électrons et les utilisent pour sonder la profondeur du noyau. S'ils vont assez profondément à l'intérieur, les électrons vont se disperser sur les quarks, qui peut être mesuré à l'aide de détecteurs très sophistiqués. "Nous reconstruisons ce qu'il y a dans la cible dont sont constitués les protons et les neutrons, " dit West. " Vous voyez ces petits objets ponctuels que nous identifions comme des quarks. "
Les quarks ont des charges fractionnaires par rapport aux protons qu'ils forment. Il existe six types de quarks basés sur la masse, et les particules ont aussi une qualité appelée couleur, quelle façon de décrire comment la force puissante les maintient ensemble. La couleur est portée par les gluons, une sorte de messager de la force puissante qui lie les quarks entre eux. (Ils sont analogues aux photons.)
Une équipe de physiciens de l'Université du Kansas prévoit d'utiliser un appareil installé au Grand collisionneur de hadrons, un accélérateur de particules massif situé dans un tunnel de 27 kilomètres entre la France et la Suisse, pour étudier l'interaction forte entre les quarks et les gluons.
"L'idée est de mieux comprendre la structure du proton et des ions lourds - comme le plomb par exemple - et d'étudier un nouveau phénomène appelé saturation, " Christophe Royon, un professeur de physique de l'Université du Kansas qui dirige la recherche, explique dans un e-mail. "Quand deux protons ou deux ions entrent en collision à très haute énergie, nous sommes sensibles à leur sous-structure - les quarks et les gluons - et nous pouvons sonder certaines régions où la densité de gluons devient très importante."
"Une analogie serait le métro de New York aux heures de pointe quand le métro est complètement encombré, » poursuit Royon. « Dans ce cas, les gluons ne se comportent pas comme des identités uniques mais peuvent montrer un comportement collectif, au même titre qu'un métro bondé, si quelqu'un tombe, tout le monde le sentira puisque les gens sont si proches les uns des autres. A un moment donné, les protons ou ions lourds peuvent se comporter comme un objet solide, comme un verre, appelé condensat de verre coloré. C'est ce que nous voulons voir au LHC ainsi qu'au futur collisionneur électron-ion aux États-Unis."
Royon dit que trouver la preuve de l'existence de ce matériau dense de gluons répondrait à l'une des plus grandes questions sans réponse sur les quarks. "C'est un nouvel état de la matière, " dit-il. " Quelques indices sont déjà apparus sur le collisionneur d'ions lourds relativistes ou le grand collisionneur de hadrons mais rien n'est encore certain. Ce serait une découverte importante, et le Grand collisionneur de hadrons et le collisionneur électron-ion sont des machines idéales pour le voir. »
Les scientifiques se demandent également s'il pourrait exister quelque chose d'encore plus petit qu'un quark. "Cela pose la question, Y a-t-il encore un autre niveau?" dit West. "Nous ne connaissons pas la réponse à cela."
Maintenant c'est intéressantGell-Mann tire le nom de la particule du roman expérimental de James Joyce en 1939 " Finnegans Wake, " qui contient la ligne, « Trois quarks pour Muster Mark !
