Les Quarks N’Ont Pas Réellement De Couleurs

Au niveau fondamental, la réalité n’est déterminée que par deux propriétés de notre Univers: les quanta qui composent tout ce qui existe et les interactions qui ont lieu entre eux. Bien que les règles qui régissent tout cela puissent sembler compliquées, le concept est extrêmement simple. L’Univers est composé de bits d’énergie discrets qui sont liés en particules quantiques avec des propriétés spécifiques, et ces particules interagissent les unes avec les autres selon les lois de la physique qui sous-tendent notre réalité.

Certaines de ces propriétés quantiques régissent si et comment une particule interagira sous une certaine force. Tout a de l’énergie, et donc tout subit la gravité. Cependant, seules les particules avec les bons types de charges subissent les autres forces, car ces charges sont nécessaires pour que les couplages se produisent. Dans le cas de la force nucléaire forte, les particules ont besoin d’une charge de couleur pour interagir. Seulement, les quarks n’ont pas réellement de couleurs. Voici ce qui se passe à la place.

Bien que nous ne comprenions peut—être pas tout de cette réalité, nous avons découvert toutes les particules du Modèle standard et la nature des quatre forces fondamentales — la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte – qui régissent leurs interactions. Mais toutes les particules ne subissent pas toutes les interactions; vous avez besoin du bon type de charge pour cela.

Des quatre forces fondamentales, chaque particule a une énergie qui lui est inhérente, même les particules sans masse comme les photons. Tant que vous avez de l’énergie, vous ressentez la force gravitationnelle. De plus, il n’y a qu’un seul type de charge gravitationnelle : l’énergie positive (ou masse). Pour cette raison, la force gravitationnelle est toujours attrayante et se produit entre tout ce qui existe dans l’Univers.

L’électromagnétisme est un peu plus compliqué. Au lieu d’un type de charge fondamentale, il y en a deux: les charges électriques positives et négatives. Lorsque des charges similaires (positives et positives ou négatives et négatives) interagissent, elles repoussent, tandis que lorsque des charges opposées (positives et négatives) interagissent, elles attirent.

Cela offre une possibilité passionnante que la gravité n’a pas: la capacité d’avoir un état lié qui n’exerce pas de force nette sur un objet externe chargé séparément. Lorsque des quantités égales de charges positives et négatives se lient en un seul système, vous obtenez un objet neutre: un objet sans charge nette. Les charges libres exercent des forces attrayantes et / ou répulsives, mais pas les systèmes non chargés. C’est la plus grande différence entre la gravitation et l’électromagnétisme: la capacité d’avoir des systèmes neutres composés de charges électriques non nulles.

Si nous devions envisager ces deux forces côte à côte, vous pourriez penser que l’électromagnétisme a deux directions, alors que la gravitation n’a qu’une seule direction. Les charges électriques peuvent être positives ou négatives, et les différentes combinaisons de positif-positif, positif-négatif, négatif-positif et négatif-négatif permettent à la fois l’attraction et la répulsion. La gravitation, en revanche, n’a qu’un seul type de charge, et donc un seul type de force: l’attraction.

Même s’il existe deux types de charge électrique, il suffit d’une particule pour prendre en charge l’action attractive et répulsive de l’électromagnétisme : le photon. La force électromagnétique a une structure relativement simple — deux charges, où les semblables repoussent et les opposés s’attirent – et une seule particule, le photon, peut expliquer à la fois les effets électriques et magnétiques. En théorie, une seule particule, le graviton, pourrait faire la même chose pour la gravitation.

Mais ensuite, sur un tout autre pied, il y a la force forte. C’est similaire à la fois à la gravité et à l’électromagnétisme, en ce sens qu’il existe un nouveau type de charge et de nouvelles possibilités pour une force qui lui est associée.

Si vous pensez à un noyau atomique, vous devez immédiatement reconnaître qu’il doit y avoir une force supplémentaire plus forte que la force électrique, sinon le noyau, composé de protons et de neutrons, s’envolerait à cause de la répulsion électrique. La force nucléaire forte, nommée de manière créative, est la partie responsable, car les constituants des protons et des neutrons, les quarks, ont à la fois des charges électriques et un nouveau type de charge: la charge de couleur.

Contrairement à ce à quoi vous pourriez vous attendre, cependant, il n’y a aucune couleur impliquée. La raison pour laquelle nous l’appelons charge de couleur est qu’au lieu d’un type de charge fondamental et attrayant (comme la gravité), ou de deux types de charge fondamentale opposés (positif et négatif, comme l’électromagnétisme), la force forte est régie par trois types de charge fondamentaux, et ils obéissent à des règles très différentes des autres forces plus familières.

Pour les charges électriques, une charge positive peut être annulée par une charge égale et opposée — une charge négative — de même magnitude. Mais pour les frais de couleur, vous avez trois types de frais fondamentaux. Afin d’annuler une charge de couleur unique d’un type, vous avez besoin d’un de chacun des deuxième et troisième types. La combinaison de nombres égaux des trois types donne une combinaison que nous appelons “incolore”, et incolore est la seule combinaison de particules composites stable.

Cela fonctionne indépendamment pour les quarks, qui ont une charge de couleur positive, et les antiquarks, qui ont une charge de couleur négative. Si vous imaginez une roue chromatique, vous pouvez placer le rouge, le vert et le bleu à trois endroits équidistants, comme un triangle équilatéral. Mais entre le rouge et le vert serait jaune; entre le vert et le bleu serait cyan; entre le rouge et le bleu serait magenta.

Ces charges de couleur intermédiaires correspondent aux couleurs des antiparticules : les anticolors. Le cyan est le même que l’anti-rouge; le magenta est le même que l’anti-vert; le jaune est le même que l’anti-bleu. Tout comme vous pouvez additionner trois quarks avec des couleurs rouges, vertes et bleues pour faire une combinaison incolore (comme un proton), vous pouvez additionner trois antiquarks avec des couleurs cyan, magenta et jaune pour faire une combinaison incolore (comme un antiproton).

Si vous savez quelque chose sur la couleur, vous pourriez commencer à penser à d’autres façons de générer une combinaison incolore. Si trois couleurs différentes ou trois anticolors différents pouvaient fonctionner, peut-être que la bonne combinaison couleur-anticolor pourrait vous y amener?

En fait, ça peut. Vous pouvez mélanger la bonne combinaison d’un quark et d’un antiquark pour produire une particule composite incolore, connue sous le nom de méson. Cela fonctionne, car:

• le rouge et le cyan,
• le vert et le magenta,
• et le bleu et le jaune

sont toutes des combinaisons incolores. Tant que vous additionnez une charge nette incolore, les règles de la force forte vous permettent d’exister.

Cela pourrait commencer votre esprit sur des chemins intéressants. Si le rouge + vert + bleu est une combinaison incolore, mais que le rouge + cyan est également incolore, cela signifie-t-il que le vert + bleu est le même que le cyan?

C’est tout à fait exact. Cela signifie que vous pouvez avoir un seul quark (coloré) associé à l’un des éléments suivants:

• deux quarks supplémentaires,
• un antiquark,
• trois quarks supplémentaires et un antiquark,
• un quark supplémentaire et deux antiquark,
• cinq quarks supplémentaires,

ou toute autre combinaison qui conduit à un total incolore. Lorsque vous entendez parler de particules exotiques comme les tétraquarks (deux quarks et deux antiquarks) ou les pentaquarks (quatre quarks et un antiquark), sachez qu’elles obéissent à ces règles.

Mais la couleur n’est qu’une analogie, et cette analogie se décomposera assez rapidement si vous commencez à la regarder avec trop de détails. Par exemple, le fonctionnement de la force forte consiste à échanger des gluons, qui portent une combinaison couleur-couleur avec eux. Si vous êtes un quark bleu et que vous émettez un gluon, vous pourriez vous transformer en un quark rouge, ce qui signifie que le gluon que vous avez émis contenait une charge de couleur cyan (anti-rouge) et une charge de couleur bleue, vous permettant de conserver la couleur.

Vous pourriez penser, alors, avec trois couleurs et trois anticolors, qu’il y aurait neuf types de gluons possibles que vous pourriez avoir. Après tout, si vous associez chacun du rouge, du vert et du bleu à chacun du cyan, du magenta et du jaune, il y a neuf combinaisons possibles. C’est une bonne première hypothèse, et c’est presque juste.

Il s’avère cependant qu’il n’existe que huit gluons. Imaginez que vous êtes un quark rouge et que vous émettez un gluon rouge / magenta. Vous allez transformer le quark rouge en quark vert, car c’est ainsi que vous conservez la couleur. Ce gluon trouvera alors un quark vert, où le magenta s’annihilera avec le vert et laissera la couleur rouge derrière lui. De cette manière, les couleurs sont échangées entre des particules colorées en interaction.

Cette ligne de pensée n’est bonne que pour six des gluons, cependant:

• rouge / magenta,
• rouge / jaune,
• vert / cyan,
• vert / jaune,
• bleu / cyan et
• bleu / magenta.

Lorsque vous rencontrez les trois autres possibilités – rouge / cyan, vert / magenta et bleu / jaune — il y a un problème: elles sont toutes incolores.

En physique, chaque fois que vous avez des particules qui ont les mêmes nombres quantiques, elles se mélangent. Ces trois types de gluons, tous incolores, se mélangent absolument. Les détails de la façon dont ils se mélangent sont assez profonds et dépassent le cadre d’un article non technique, mais vous vous retrouvez avec deux combinaisons qui sont un mélange inégal des trois couleurs et anticolors différents, ainsi qu’une combinaison qui est un mélange de toutes les paires couleurs / anticolor également.

Ce dernier est vraiment incolore et ne peut interagir physiquement avec aucune des particules ou antiparticules avec des charges de couleur. Par conséquent, il n’y a que huit gluons physiques. Les échanges de gluons entre quarks (et / ou antiquarks), et de particules incolores entre d’autres particules incolores, sont littéralement ce qui lie les noyaux atomiques entre eux.

Nous pouvons l’appeler charge de couleur, mais la force nucléaire forte obéit à des règles uniques parmi tous les phénomènes de l’Univers. Alors que nous attribuons des couleurs aux quarks, des anticolors aux antiquarks et des combinaisons couleur-anticolor aux gluons, ce n’est qu’une analogie limitée. En vérité, aucune des particules ou antiparticules n’a de couleur, mais obéit simplement aux règles d’une interaction qui a trois types fondamentaux de charge, et seules les combinaisons qui n’ont pas de charge nette sous ce système sont autorisées à exister dans la nature.

Cette interaction complexe est la seule force connue capable de surmonter la force électromagnétique et de maintenir deux particules de charge électrique similaire liées ensemble en une seule structure stable: le noyau atomique. Les quarks n’ont pas réellement de couleurs, mais ils ont des charges régies par l’interaction forte. Ce n’est qu’avec ces propriétés uniques que les éléments constitutifs de la matière peuvent se combiner pour produire l’Univers que nous habitons aujourd’hui.