Les gluons sont bien nommés parce qu’ils sont la « colle » qui lie les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons.
Ils sont les porteurs de la force forte, l’un des quatre forces fondamentales. Particules porteuses de force telles que le gluon, ainsi que le photon pour la force électromagnétique, et le W et Z bosons pour la force faible, sont toutes des particules sans masse avec un spin quantique de 1 et sont appelées collectivement «bosons de jauge».
f deux ou trois quarks. Par example, protons et neutronsqui forment des noyaux atomiques, sont des hadrons, et existent donc à cause des quarks et des gluons. Bien qu’ils soient liés aux gluons, les quarks diffèrent en ce sens que leur spin quantique est de 1/2 et qu’ils ont une masse, quoique minuscule (par exemple, un quark “up” a une masse de 2,01 MeV, et un quark “down” est légèrement plus lourd avec une masse de 4,79 MeV, soit respectivement un cinquième et la moitié de la masse d’un proton. Ce que les quarks et les gluons ont en commun est que ni l’un ni l’autre ne peut exister en tant que particules libres ni exister sans l’autre.
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Preuve de gluons
Bien que les physiciens ne puissent pas voir les gluons individuels, nous savons qu’ils existent grâce à des preuves indirectes qui ne peuvent être expliquées que par la présence de gluons.
Les gluons ont été détectés pour la première fois en 1979, dans une expérience au Accélérateur à anneaux en tandem à électrons et positrons (PETRA) (s’ouvre dans un nouvel onglet) au Synchrotron électronique allemand (DESY) Laboratoire en Allemagne. PETRA est un anneau de 2,3 km de long, un peu comme une version miniature du Grand collisionneur de hadrons sauf que PETRA accélère les leptons, en particulier électrons et leurs équivalents d’antimatière les positrons, plutôt que les protons et les noyaux atomiques.
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Lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent. Dans le cas de l’écrasement d’électrons en positrons, la paire s’annihile et libère un quark et un antiquark. Les deux quarks sont incapables de s’échapper – plus ils essaient de s’éloigner, plus la force forte entre eux devient forte (au moins jusqu’à un certain point, environ 10^–15 m, ou un femtomètre), l’excès d’énergie stockée permettant à la paire quark et antiquark de se désintégrer, ou de s’« hadroniser », en particules hadroniques qui se forment dans une région conique le long des directions de déplacement du quark et de l’antiquark d’origine. Cette région conique de particules hadroniques est appelée jetet une simple annihilation électron-positon produirait deux jets opposés correspondant au quark et à l’antiquark.
Cependant, si les gluons sont réels, l’annihilation électron-positon devrait également produire un gluon à côté de la paire quark-antiquark, et ce gluon devrait également s’hadroniser en un troisième jet. Pour conserver l’impulsion, le gluon emporterait une partie de l’impulsion de l’un des quarks, changeant la direction de son jet de sorte que les jets hadronisés des quarks ne soient plus directement opposés, tandis que le jet dérivé du gluon serait d’un côté. C’est bien ce qui a été observé dans l’expérience PETRA, et dans les expériences ultérieures également, confirmant l’existence du gluon.
FAQ Gluon répondue par un expert
Nous avons demandé Marcus Diehl, un expert en chromodynamique quantique au DESY Theory Group quelques questions fréquemment posées sur les gluons.
Marcus Diehl
Markus Diehl est un expert en chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui couvre les interactions des quarks et des gluons (la force forte).
Comment savons-nous que les gluons existent ?
Une multitude de mesures très précises est correctement expliquée par notre théorie des quarks et des gluons. Une manifestation plutôt directe — et historiquement la première — des gluons est la production de trois pulvérisations distinctes de particules dans les collisions électron-positon. Ces événements avec trois jets hadroniques, comme nous les appelons, ont été observés pour la première fois au collisionneur PETRA de DESY en 1979.
Pourquoi les gluons sont-ils importants ?
Les gluons sont responsables de la liaison des quarks entre eux et donc de la formation – et de nombreuses propriétés – des protons et des neutrons, les éléments constitutifs des noyaux atomiques.
Les gluons et les quarks peuvent-ils jamais être séparés ?
Pour autant que nous sachions, les quarks et les gluons ne peuvent pas être observés en tant que particules libres, mais ils donnent naissance à des jets hadroniques. En regardant de près les distributions des particules dans un jet, on peut en fait déterminer s’il provient très probablement d’un gluon ou d’un quark.
Charge de couleur et chromodynamique quantique
La théorie quantique qui régit la physique de la force forte portée par les gluons pour lier les quarks s’appelle chromodynamique quantique (s’ouvre dans un nouvel onglet)ou CDQ. Nommé par le célèbre physicien des particules lauréat du prix Nobel Murray Gell Mann (s’ouvre dans un nouvel onglet)La QCD s’articule autour de l’existence d’une propriété des quarks et des gluons appelée “charge de couleur”, telle que décrite par les physiciens de Université d’État de Géorgie (s’ouvre dans un nouvel onglet). Ce n’est ni une vraie couleur ni une vraie charge électrique (les gluons sont électriquement neutres) – il est ainsi nommé parce qu’il est analogue à la charge électrique en ce sens qu’il est la source des interactions de la force forte entre les quarks et les gluons, tout comme la charge est la source de l’interaction dans la force électromagnétique, tandis que les couleurs ne sont qu’un moyen arbitraire, quoique décalé, de distinguer les différents quarks et les interactions qu’ils ont avec la force forte via les gluons.
Les quarks peuvent avoir une charge de couleur appelée rouge, vert ou bleu, et il existe des versions positives et négatives (anti) de chacun. Les quarks sont capables de changer de couleur dans leurs interactions, et les gluons conservent la charge de couleur. Par exemple, si un quark vert se transforme en quark bleu, le gluon doit être capable de porter une charge de couleur vert-bleu. La prise en compte de toutes les différentes combinaisons de couleurs et d’anti-couleurs signifie qu’il doit y avoir 8 gluons différents au total, tel que décrit par John Baez (s’ouvre dans un nouvel onglet). Comparez cela à la force électromagnétique, qui fonctionne selon la théorie de l’électrodynamique quantique (QED) dans laquelle il n’y a que deux charges possibles, positives ou négatives. QCD est bien plus complexe que QED !
Le plasma quark-gluon
Il n’est pas strictement vrai que les gluons et les quarks ne peuvent pas être séparés, mais cela nécessite des conditions très extrêmes qui n’existent pas dans la nature depuis les premières minuscules fractions de seconde après la Big Bang.
Quelques billionièmes de seconde après le Big Bang, la température du minuscule univers était encore immense à mille billions de degrés. Pendant ce tempsavant même la formation de hadrons, l’univers naissant était rempli d’une soupe de quarks et de gluons libres connue sous le nom de plasma quark-gluon (plus des leptons tels que neutrinos et électrons). Car l’univers était si chaud que les quarks et les gluons tourbillonnaient sans lien à la vitesse de la lumière, rebondissant les uns sur les autres avec trop d’énergie même pour que la force puissante puisse les lier.
L’univers s’est refroidi très rapidement au cours de son expansion et, au premier millionième de seconde, la température avait suffisamment baissé pour 2 trillions de degrés (s’ouvre dans un nouvel onglet)pour permettre à la force forte de lier les quarks et les gluons ensemble pour former les premiers hadrons.
Il est possible de répliquer le plasma quark-gluon primordial dans des expériences avec des accélérateurs de particules, comme celles du CERN ou du Collisionneur d’ions lourds relativistes au Laboratoire national de Brookhaven (s’ouvre dans un nouvel onglet).
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Les noyaux atomiques d’éléments lourds tels que l’or ou le plomb s’entrechoquent presque à la vitesse de la lumièrerésultant en une boule de feu miniature qui, pendant un bref instant, est suffisamment chaude pour dissoudre les hadrons dans un plasma quark-gluon.
Presque instantanément, la boule de feu se refroidit et les quarks et les gluons se recombinent pour former des jets de hadrons, y compris des mésons constitués de deux quarks et des baryons constitués de trois quarks. Le plasma quark-gluon est extrêmement dense, et souvent les jets de hadrons ont du mal à passer et perdent de l’énergie. Les physiciens appellent cela “quenching”, tel que décrit par physiciens au CERN (s’ouvre dans un nouvel onglet)et la quantité d’extinction, ainsi que la distribution et l’énergie globales des jets, peuvent fournir d’excellentes informations sur les propriétés du plasma quark-gluon. Par exemple, les physiciens ont appris qu’il se comporte plus comme un fluide parfait qui s’écoule avec une viscosité nulle, que comme un gaz. En apprenant de telles propriétés, recréer le plasma quark-gluon dans les accélérateurs de particules peut donner aux scientifiques une fenêtre dans le temps sur la naissance même de l’univers et les conséquences immédiates du Big Bang lorsque la matière est apparue pour la première fois.
Ressources supplémentaires
Lisez l’histoire de la découverte des gluons en 1979, racontée par les physiciens de DESY Ilka Flegel et Paul Söding dans le Courrier CERN (s’ouvre dans un nouvel onglet). Découvrez le histoire de QCD (s’ouvre dans un nouvel onglet)comme le raconte l’un de ses pionniers, Harald Fritzsch. Explorez les quarks et les gluons plus en détail avec ces ressources de Le ministère de l’Énergie (s’ouvre dans un nouvel onglet). Partez à la découverte du gluon et voyagez dans le temps jusqu’aux années 70 avec ce article de DESY (s’ouvre dans un nouvel onglet).
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Bibliographie
Physique des particules, par Brian R. Martin (2011, One-World Publications)
Origines de l’univers: le fond cosmique des micro-ondes et la recherche de la gravité quantique, par Keith Cooper (2020, Icon Books)