Physique des quarks

Quelle est la physique des quarks ?

Les quarks sont impliqués dans plusieurs processus physiques. Ils constituent la masse de l'univers, car ce sont les particules élémentaires qui composent les protons et les neutrons et leur donnent une charge électrique. Les quarks forment également des hadrons spéciaux tels que le Pion plus et le Kaon plus. Et les quarks sont présents dans la désintégration bêta, qui est une forme de rayonnement.

Charge hadronique et quarks

Les protons et les neutrons sont tous deux constitués de trois quarks dont le symbole est qqq. La combinaison des quarks ascendants et descendants t'indique à quel type de particule tu as affaire. Pour savoir quelle particule un quark constitue, tu dois additionner trois quarks de manière à obtenir une charge fondamentale de 1 pour un proton ou de 0 pour un neutron, comme dans les exemples suivants.

Pion plus et kaon plus hadrons

Les quarks peuvent se combiner avec un antiquark, créant ainsi un duo matière-antimatière, comme dans le cas des hadrons pion plus et kaon plus.

• Pion plus : combinaison d'un quark up qui a une charge de + ⅔ et d'un antiquark down qui a une charge de + ⅓ et donc une charge totale de 1.
• Kaon plus : combinaison d'un quark up qui a une charge de + ⅔ et d'un antiquark étrange qui a une charge de + ⅓ et donc une charge totale de 1.

Les quarks pion plus et kaon plus ont un nombre de baryons de 0, ce qui indique qu'ils sont une combinaison de matière et d'antimatière.

Quarks et désintégration bêta

Si un noyau a trop de neutrons ou de protons, un processus appelé désintégration bêta peut commencer. La désintégration bêta transforme un proton en neutron ou un neutron en proton. Les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down (udu), tandis que les neutrons sont constitués de deux quarks down et d'un quark up (dud).

Dans le cas d'une conversion de neutron en proton, un quark down doit se convertir en quark up. Cette conversion comprend la libération d'un électron, qui enlève la charge négative, et d'un antineutrino, comme indiqué ci-dessous :

\(^1_0{n} \rightarrow ^1_1{p} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)

Tu peux observer la conservation dans l'équation. Le neutron a un nombre de baryons de 1 dans le coin supérieur et 0 comme charge fondamentale dans le coin inférieur.

Le résultat de la désintégration doit être un proton avec une charge de 1 et un électron avec une charge de -1. Au cours de ce processus, un antineutrino est également émis.

\(\text{conservation de la charge = charge du neutron = charge du proton + charges des électrons}\)

Interaction faible et quarks

Le processus qui transforme un neutron en proton est appelé processus d'interaction faible. Il existe quatre processus d'interaction faible, comme indiqué ci-dessous.

Dans les quatre processus, une particule de boson W+ ou W- joue le rôle de transporteur de l'énergie.

Diagramme de Feynman et quarks

Le diagramme de Feynman permet de montrer l'interaction entre les particules lorsqu'elles émettent ou absorbent de l'énergie tout en créant d'autres particules. Prenons l'exemple de la désintégration bêta d'un neutron en proton, comme indiqué ci-dessous :

\(^1_0{n} \rightarrow ^1_1{p} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)

Le diagramme de Feynman correspondant est le suivant :

Quarks étranges et nombre étrange

Les photons de haute énergie tels que les rayons gamma peuvent entrer en collision avec des particules, émettant ainsi d'autres particules et des radiations. Dans l'atmosphère terrestre, ils injectent de l'énergie dans les molécules d'air, créant ainsi des quarks étranges. Cependant, les particules créées ne se séparent pas en particules plus petites aussi rapidement que les scientifiques l'avaient prévu. Cet effet a été expliqué par une nouvelle propriété appelée étrangeté, qui est indiquée par le nombre étrange. Les nombres étranges ne changent que lors des interactions de force faible.