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Un proton est un exemple de hadron. Il est composé de deux quarks ascendants (u) et d'un quark descendant (d).

En physique des particules, un hadron (du mot grec ἁδρός, hadros, qui signifie "épais") est une particule subatomique formée par la liaison entre quarks et gluons. Les quarks et les gluons sont maintenus ensemble par ce qu'on appelle le forte interaction ou force nucléaire forte.1

Il existe deux types de hadrons: les baryons et les mésons. Des exemples courants de baryons sont les protons et les neutrons, qui sont mieux connus comme constituants des noyaux atomiques. Des exemples de mésons sont les pions (mésons pi) et les kaons (mésons K). Selon les modèles actuels, la force (force forte résiduelle) responsable de maintenir les protons et les neutrons ensemble dans les noyaux atomiques s'explique principalement en termes d'échange de mésons tels que les pions.

Propriétés

Dans les années 1950 et 1960, les scientifiques ont découvert de nombreux types de particules subatomiques qui sont maintenant classées comme hadrons. Le concept de quarks a été initialement formulé pour expliquer ces différents types de particules.

Selon le modèle des quarks,2 les propriétés des hadrons sont déterminées principalement par leur soi-disant quarks de valence.3 Par exemple, un proton est composé de deux quarks up (chacun avec une charge électrique +2/3) et un quark down (avec une charge électrique -1/3). Leur addition donne la charge de proton de +1. De plus, les quarks constitutifs portent également une charge de couleur (rien à voir avec la couleur visuelle). Cependant, une propriété de la force nucléaire forte appelée confinement de couleur nécessite que tout état composite ne porte aucune charge de couleur résiduelle. Par conséquent, les hadrons doivent être incolores. Il y a deux façons d'accomplir cela: trois quarks de couleurs différentes, ou un quark d'une couleur et un antiquark portant l'anti-couleur correspondante. Les hadrons basés sur l'ancien type de combinaison sont appelés baryons; ceux basés sur ce dernier sont appelés mesons.

Comme toutes les particules subatomiques, les hadrons ont des nombres quantiques correspondant aux représentations du groupe Poincaré: JPC(m), où J est le spin; P, la parité; C, la parité C; et m, la masse. Notez que la masse d'un hadron a très peu à voir avec la masse de ses quarks de valence; en raison de l'équivalence masse-énergie, la majeure partie de la masse provient plutôt de la grande quantité d'énergie associée à la force nucléaire puissante. Les hadrons peuvent également porter des nombres quantiques de saveur tels que l'isospin (ou la parité G) et l'étrangeté. Tous les quarks portent un nombre quantique additif conservé appelé nombre de baryons (B), qui est +1/3 pour les quarks et -1/3 pour les antiquarks. Cela signifie que les baryons ont B = 1 tandis que les mésons ont B = 0.4

Les hadrons ont excité des états appelés «résonances». Chaque hadron d'état fondamental peut avoir plusieurs états excités. Des centaines de résonances ont été observées lors d'expériences de physique des particules. Les résonances diminuent extrêmement rapidement (dans un délai d'environ 10−24 secondes) via la force nucléaire puissante.

Dans certaines conditions, les hadrons peuvent disparaître. Par exemple, à très haute température et haute pression, à moins qu'il n'y ait suffisamment de saveurs de quarks, la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) prédit que les quarks et les gluons interagiront faiblement et ne seront plus confinés dans des hadrons. Cette propriété, appelée liberté asymptotique, a été confirmée expérimentalement à des échelles d'énergie allant d'environ un GeV à environ un TeV.5

Baryons

Article principal: Baryon

Un baryon est un hadron composé de trois quarks "valence".36 Un baryon est donc un fermion composite, et il a un spin demi-entier impair (où "spin" fait référence au nombre quantique de moment angulaire). Les baryons subissent la forte force nucléaire et sont décrits par les statistiques de Fermi-Dirac, qui s'appliquent à toutes les particules obéissant au principe d'exclusion de Pauli.

Chaque baryon a une antiparticule correspondante, appelée anti-baryon, dans lequel les quarks constitutifs sont remplacés par leurs antiquarks correspondants. De plus, chaque baryon a un numéro de baryon B = 1, alors qu'un anti-baryon a un numéro de baryon B = -1. Les protons et les neutrons, qui constituent des noyaux atomiques, sont des exemples bien connus de baryons, mais de nombreux baryons instables ont également été trouvés.

En principe, certains baryons pourraient être composés d'autres paires quark-antiquark, en plus des trois quarks (ou antiquarks) qui composent les baryons de base. Les baryons contenant une seule paire quark-antiquark supplémentaire sont appelés pentaquarks. Sur la base de plusieurs expériences menées au début des années 2000, certains scientifiques ont affirmé avoir trouvé des preuves de l'existence de pentaquarks. Cependant, ces preuves ont depuis été réfutées.7 Aucune preuve d'états baryons avec encore plus de paires quark-antiquark n'a été trouvée.

Mesons

Article principal: Meson

Un méson est un hadron composé d'un nombre égal de quarks et d'antiquarks. On pense que chaque méson connu consiste en une paire quark-antiquark - les quarks dits "valence" -plus un certain nombre de quarks "mer", qui sont des paires quark-antiquark virtuelles et des gluons virtuels.389 Tous les mésons sont instables.

Les mésons sont également classés comme des bosons, qui sont des particules à spin entier (ou nul). Chaque méson a un nombre de baryons égal à 0 (B = 0). Les pions (mésons pi) et les kaons (mésons K) sont des exemples de mésons couramment produits dans les expériences de physique des particules. Les premiers jouent également un rôle dans la cohésion des noyaux atomiques via la force forte résiduelle.

Les mésons hypothétiques ont plus d'une paire quark-antiquark. Un méson composé de deux de ces paires est appelé tétraquark. Actuellement, il n'y a aucune preuve de leur existence. Les mésons qui se trouvent en dehors de la classification du modèle de quark sont appelés «mésons exotiques». Il s'agit notamment des boules de colle (notées ci-dessous) et des mésons hybrides (mésons liés par des gluons excités). Les recherches de mésons exotiques ayant différents constituants sont en cours.

Glueballs

Théoriquement, certains hadrons peuvent être composés uniquement de gluons, et ils ont été doublés boules de colle. Cependant, ces particules peuvent contenir des paires quark-antiquark virtuelles, dans au moins certains cas, ce qui rend difficile leur distinction des mésons.1

Voir également

  • Antimatière
  • Atome
  • Baryon
  • Matière noire
  • Fermion
  • Lepton
  • Matière
  • Méson
  • Neutron
  • La physique des particules
  • Proton
  • Quark
  • Modèle standard
  • Particule subatomique

Remarques

  1. 1.0 1.1 Hadrons Stanford Linear Accelerator Center. Récupéré le 10 septembre 2008.
  2. ↑ C. Amsler et al. (2007), Quark Model, dans "Review of Particle Physics" Phys. Lett. B667: 1. Récupéré le 10 septembre 2008.
  3. 3.0 3.1 3.2 Les quarks et les antiquarks qui transmettent des nombres quantiques aux hadrons sont appelés quarks de "valence". De plus, un hadron peut contenir un nombre indéfini de quarks virtuels, d'antiquarks et de gluons qui ne contribuent en rien aux nombres quantiques. Ces quarks virtuels sont appelés quarks «marins».
  4. ↑ Le terme numéro de baryon est défini comme: est le nombre de quarks, et
    est le nombre d'antiquarks.
  5. ↑ S. Bethke (2007), Tests expérimentaux de la liberté asymptotique Programme. Partie. Nucl. Phys. 58: 351-386. Récupéré le 10 septembre 2008.
  6. ↑ Hadrons: Baryons et Mesons L'aventure des particules. Récupéré le 10 septembre 2008.
  7. ↑ C. G. Wohl (2008), Pentaquarks, dans "Review of Particle Physics" Phys. Lett. B667: 1. Récupéré le 10 septembre 2008.
  8. ↑ Les particules virtuelles sont des particules qui ne peuvent pas être observées expérimentalement mais qui seraient impliquées dans des processus physiques. Voir Particules réelles et virtuelles récupérées le 12 septembre 2008.
  9. ↑ Hadrons: Baryons et Mesons Stanford Linear Accelerator Center. Récupéré le 11 septembre 2008.

Les références

  • Cottingham, W. N. et D. A. Greenwood. 2007. Une introduction au modèle standard de physique des particules, 2e éd. Cambridge, Royaume-Uni: Cambridge University Press. ISBN 978-0521852494
  • Griffiths, David J. 1987. Introduction aux particules élémentaires. New York: Wiley. ISBN 0471603864
  • Halzen, Francis et Alan D. Martin. 1984. Quarks and Leptons: Un cours d'introduction à la physique moderne des particules. New York: Wiley. ISBN 0471887412
  • Martin, B.R.2006. Physique nucléaire et des particules: une introduction. Chichester: John Wiley. ISBN 978-0470025321
  • Povh, Bogdan. 1995. Particules et noyaux: une introduction aux concepts physiques. Berlin: Springer-Verlag. ISBN 0387594396
  • Veltman, Martinus. 2003. Faits et mystères en physique des particules élémentaires. River Edge, NJ: World Scientific. ISBN 981238149X

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