Voir la source de Quark

{{Voir homonymes}}
{{Infobox Particule
| nom = Quarks
| classification = [[Fermion]]s
| composition = ''Élémentaire''
| masse = • u : 2,01 ± 0,14 [[Électron-volt|MeV]].[[Vitesse de la lumière|c]]{{exp|-2}}<br />
• d : 4,79 ± 0,16 MeV.c{{exp|-2}}<br />
• s : 80 à 130 MeV.c{{exp|-2}}<br />
• c : 1,15 à 1,35 GeV.c{{exp|-2}}<br />
• b : 4,1 à 4,4 GeV.c{{exp|-2}}<br />
• t : 173,34 ± 0,76 GeV.c{{exp|-2}}
| charge électrique = • u : +2/3 ''e'':+1,068{{x10|-19}} [[Coulomb|C]]<br />
• d : -1/3 ''e'' : -5,34{{x10|-20}} C<br />
• s : -1/3 ''e'' : -5,34{{x10|-20}} C<br />
• c : +2/3 ''e'' : +1,07{{x10|-19}} C<br />
• b : -1/3 ''e'' : -5,34{{x10|-20}} C<br />
• t : +2/3 ''e'' : +1,07{{x10|-19}} C
| spin = 1/2
| durée de vie = |
}}

En [[physique des particules]], un '''quark''' est une [[particule élémentaire]] et un constituant de la matière observable. Les quarks s'associent entre eux pour former des [[hadron|hadrons]], particules composites, dont les [[proton|protons]] et les [[neutron|neutrons]] sont des exemples connus, parmi d'autres. En raison d'une propriété dite de ''[[confinement de couleur|confinement]]'', les quarks ne peuvent être isolés, et n'ont pas pu être observés directement ; tout ce que l'on sait des quarks provient donc indirectement de l'observation des hadrons.

Les quarks s'attirent entre eux par une force fondamentale, l'[[interaction forte]]. Celle-ci est réalisée par un échange de particules électriquement neutres, mais porteuses d'une [[charge de couleur]], nommées [[gluon|gluons]].

Les six quarks sont des [[fermion]]s que la théorie du [[Modèle standard de la physique des particules|modèle standard]] décrit, en compagnie de la famille des [[lepton]]s, comme les constituants élémentaires de la [[matière]]. Ce sont des particules de [[spin]] {{sfrac|2}}, qui se comportent conformément au [[théorème spin-statistique]]. Leur [[nombre de charge]] est +{{sfrac|2|3}} ou −{{sfrac|3}} (leur [[charge électrique]] est ainsi une fraction de la [[charge élémentaire]] : +{{sfrac|2|3}}{{mvar|e}} ou −{{sfrac|3}}{{mvar|e}}). À cette famille correspond celle des six antiquarks, de même masse mais de charge opposée (−{{sfrac|2|3}}{{mvar|e}} ou +{{sfrac|3}}{{mvar|e}}), et de charge de couleur complémentaire.

== Description ==
L'existence des quarks est proposée en {{date|1964|en science}}{{sfn|Taillet|Villain|Febvre|2018|loc={{s.v.}}quark|p=612, {{col.|1}}}} par [[Murray Gell-Mann]] ({{date-|1929|en science}}-{{date-|2019|en science}}){{sfn|Gell-Mann|1964}} et [[George Zweig]]{{sfn|Taillet|Villain|Febvre|2018|loc={{s.v.}}quark|p=612, {{col.|1}}}}{{,}}{{sfn|id=Zweig_1964a|texte=Zweig 1964a}}{{,}}{{sfn|id=Zweig_1964b|texte=Zweig 1964b}}.

La théorie des quarks a été formulée par le physicien [[Murray Gell-Mann]], qui s'est vu attribuer le [[prix Nobel de physique]] en 1969.
[[Fichier:Murray-gell-mann.jpg|thumb|[[Murray Gell-Mann]], lauréat du [[prix Nobel de physique]] pour avoir découvert les quarks.]]
[[File:Jean Iliopoulos (Ecole Normale Supérieure) - Philippe Binant Archives.jpg|thumb|[[Jean Iliopoulos]] prédit en 1970, avec [[Sheldon Glashow]] et [[Luciano Maiani]], l'existence du quark charmé.]]

Le terme « quark » provient d'une phrase du roman ''[[Finnegans Wake]]'' de [[James Joyce]] : {{Citation étrangère|lang=en|''Three ''Quarks'' for Muster Mark !''}}<ref>{{Ouvrage
 |auteur1=J. Joyce
 |titre=Finnegans Wake
 |éditeur=[[Penguin Books]]
 |année=
 |passage=383
 |isbn=
}}.</ref>.

== Propriétés ==
Ces [[particule subatomique|particules]] de [[spin]] 1/2 sont de six sortes, appelées ''[[saveur (physique)|saveurs]]'', auxquelles on a donné des noms poétiques. Les noms anglais restent plus utilisés. Les quarks possèdent une [[charge électrique]] fractionnaire -1/3 ou 2/3 de la [[charge élémentaire]], c'est-à-dire dans l'unité où la charge du proton est +1.

{| class="wikitable alternance centre" style="text-align:center;"
! scope="col" | Quark
! scope="col" | Nom anglais (français)
! scope="col" | Fraction de charge électrique élémentaire
|-
! scope="row" | d
| ''[[Quark down|Down]]'' (Bas)
| −1/3
|-
! scope="row" | u
| ''[[Quark up|Up]]'' (Haut)
| +2/3
|-
! scope="row" | s
| ''[[Quark strange|Strange]]'' (Étrange)
| −1/3
|-
! scope="row" | c
| ''[[Quark charm|Charm]]'' (Charme)
| +2/3
|-
! scope="row" | b
| ''[[Quark bottom|Bottom]]'' (dessous), ''Beauty'' (Beauté)
| −1/3
|-
! scope="row" | t
| ''[[Quark top|Top]]'' (dessus), ''Truth'' (Vérité)
| +2/3
|}

=== Parenthèse historique ===

Originellement, les noms des quarks '''b''' (''bottom'', « tout en bas ») et '''t''' (''top'', « tout en haut ») ont été choisis par analogie avec ceux des quarks '''u''' (''up'', « vers le haut ») et '''d''' (''down'', « vers le bas »). Très rapidement, ces quarks ont cependant été renommés en ''beauty'' (« beauté ») et ''truth'' (« vérité »), noms qui sont devenus les standards. Cependant, l'absence de preuve expérimentale du [[quark top|quark '''t''']] (mis en évidence seulement en 1994) relança le doute quant à la validité du modèle des quarks, et l'adage {{citation|''the quark model has no truth''}} ({{citation|le modèle des quarks n'a pas de vérité/n'est pas vrai}}) conduisit à la raréfaction de l'utilisation du couple de termes ''beauty/truth'' en faveur des termes ''bottom/top'' initialement introduits<ref>{{en}} ''[http://education.jlab.org/qa/quark_04.html What kinds of quarks are protons and neutrons made of? What was the old name for the Top and Bottom quark?]'' [[Foire aux questions|FAQ]] sur le site web du [[Thomas Jefferson National Accelerator Facility|Jefferson Lab]].</ref>. Malgré l'existence avérée du quark '''t''', l'usage actuel privilégie les noms ''bottom'' et ''top''.

== Couleur ==
Les quarks possèdent également un autre [[nombre quantique]] que l'on a nommé [[charge de couleur]]. Un quark peut être<ref group="Note">Mathématiquement, les quarks se transforment dans la représentation <math>\mathbf{3}</math> du groupe de jauge <math>SU(3)</math> utilisé pour la chromodynamique quantique.</ref> « rouge », « vert » ou « bleu », mais il peut changer de couleur en échangeant un [[gluon]] (voir plus bas).

À chaque quark correspond une [[antiparticule]], nommée ''[[Particule élémentaire#Antimatière|anti-quark]]'', de même masse, mais de charge électrique opposée et de charge de couleur complémentaire, appelée anti-couleur<ref group="Note">Mathématiquement, les anti-quarks se transforment dans la représentation <math>\mathbf{\bar{3}}.</math> du groupe de jauge <math>SU(3)</math> utilisé pour la chromodynamique quantique.</ref> : un anti-quark peut ainsi être « anti-rouge », « anti-vert » ou « anti-bleu ».

La couleur ici est une [[analogie]] qui rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark seul. À cause du phénomène de [[confinement de couleur|confinement des quarks]], on ne peut observer que des particules « blanches », c'est-à-dire formées par exemple de trois quarks de couleurs différentes : un rouge, un bleu et un vert, ce qui donne un [[baryon]] (qui en [[synthèse additive]] des couleurs donne un aspect « blanc » ), ou de deux quarks de couleurs complémentaires, comme rouge et anti-rouge, ce qui donne un [[méson|méson (en « neutralisant » l'aspect coloré]]).

La charge « de couleur » est la source de l'[[interaction forte|interaction nucléaire forte]] : l'interaction nucléaire entre les [[nucléon|nucléons]] et plus généralement entre les [[hadron]]s est dérivée de l'interaction « de couleur ». Comme l'interaction entre [[atome]]s et entre [[molécule]]s est elle-même dérivée de l'[[Électromagnétisme|interaction électromagnétique]] entre protons et [[Électron|électrons]].

Cette interaction « de couleur » est de type [[tripolaire]], alors que l'interaction électromagnétique est [[dipolaire]] (+ et -). C'est ainsi que l'on a choisi de les nommer par rouge-vert-bleu, car comme la neutralité est la norme pour l'électromagnétisme, la résultante neutre « blanche » est la norme pour les particules constituées par cette interaction.

== Génération ==
À l'instar des [[lepton]]s, les quarks du modèle standard peuvent être groupés par [[Génération (physique des particules)|''génération'']] :

{| class="wikitable"
! scope="col" | Génération
! scope="col" | Particule de charge fractionnaire −1/3
! scope="col" | Particule de charge fractionnaire +2/3
|-
! scope="row" | {{1re|génération}}
| Down (d)
| Up (u)
|-
! scope="row" | {{2e|génération}}
| Strange (s)
| Charm (c)
|-
! scope="row" | {{3e|génération}}
| Bottom (b)
| Top (t)
|}

La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (les [[neutron]]s (de charge électrique nulle) sont constitués de deux quarks ''Down'' et d'un quark ''Up'', et les protons sont formés de deux quarks ''Up'' et d'un quark ''Down''). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds, forment des particules toutes instables, et se désintègrent en quarks de première génération.

== Particules composites, notion de hadron ==
Les hadrons (particules lourdes) sont constitués de quarks, comme l'ont supposé [[Murray Gell-Mann|Gell-Man]] et Néman en 1964 par des considérations de symétrie liées à des matrices 3x3 opérant sur un C-ev. L'hypothèse des quarks a été confirmée par l'étude des [[Diffusion profondément inélastique|diffusions profondément inélastiques]] d'électrons sur des nucléons, qui mit en évidence trois centres diffuseurs ([[Richard Feynman|Feynman]] en 1968). Les quarks ont cette caractéristique qu'on ne les observe presque jamais seuls (phénomène de [[Confinement de couleur|confinement]]), à part dans quelques cas particuliers ils sont toujours groupés de telle sorte que :
[[Fichier:Proton quark structure.svg|thumb|upright=1|Un proton est constitué de deux quarks ''up'' et d'un quark ''down''.]]
* la somme de leurs charges électriques soit un multiple [[Entier relatif|entier]] de la [[charge élémentaire]] (en général 0, comme pour le [[neutron]], ou 1, comme pour le [[proton]]) ;
* la « somme » de leurs charges de couleur soit blanche (selon les règles de la [[Couleur#Synthèse additive|synthèse additive des couleurs]]), c’est-à-dire que les groupes soient composés de quarks des trois couleurs ou de paires quarks−anti-quarks (de couleurs complémentaires qui s'annulent).

Les quarks s'assemblent ainsi en [[hadron]]s. Il en existe deux sortes principales, distinguées par leur nombre de quarks principaux, dits « [[quarks de valence]] » :
* les [[méson]]s, assemblages d'un quark et d'un anti-quark. Leur [[spin]] est entier et ce sont donc des [[boson]]s ;
* les [[baryon]]s, assemblages de trois quarks des trois couleurs différentes. Leur spin est demi-entier et ce sont donc des fermions.

Tous ces hadrons sont instables à l'exception du plus léger, le [[proton]], et du [[neutron]] quand il est lié au sein d'un [[noyau atomique|noyau]]. Leur durée de vie varie fortement en fonction du type d'interaction : extrêmement courte pour celles qui se désintègrent sous l'[[interaction nucléaire forte]] (de l'ordre de 10<sup>-24</sup> s), plus directement mesurable pour celles qui sont stables sous QCD et ne se désintègrent que par l'ajout de l'[[interaction électrofaible]] (par exemple 26 ns pour le pion chargé), et un peu moins de {{unité|15|min}} pour le neutron libre (qui combine stabilité sous QCD et faible [[espace des phases]]).

D'autres assemblages de quarks, tels les ''[[tétraquark]]s'' formés de quatre quarks ou les ''[[pentaquark]]s'', formés de cinq quarks (deux paires Up-Down et un anti-Strange) ce qui désigne en fait quatre quarks et un antiquark, sont en principe possibles et auraient été observés en 2003<ref>{{en}} The Saphir Collaboration, J. Barth, et al, [https://arxiv.org/abs/hep-ex/0307083], Phys.Lett. B572 (2003) 127-132. Article disponible sur l'[[arXiv]].</ref> mais leur existence restait controversée<ref>{{en}} Sonia Kabana, [https://arxiv.org/abs/hep-ex/0503020 Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion], article disponible sur l'[[arXiv]].</ref>. En 2015, le CERN a mis en évidence un pentaquark<ref>{{lien web|url=https://www.20minutes.fr/sciences/1651755-20150715-cern-decouvre-nouvelle-particule-important|titre=Le Cern découvre une nouvelle particule|consulté le=15 juillet 2015}}.</ref>, confirmée en 2017 ; enfin, le {{date|5|juin|2019|en science}}, la collaboration [[LHCb]] publie la découverte de trois nouveaux états<ref name="deux" group="Note">En réalité les états à {{unité|4440 et 4457 MeV}} remplacent l'état à {{unité|4450 MeV}} annoncé en 2015.</ref> d'un même pentaquark<ref name="Aaij2019">{{article |langue=en |auteur=R. Aaij et al. (LHCb Collaboration) |titre=Observation of a Narrow Pentaquark State, {{math|''P{{ind|c}}''(4312){{exp|+}}}}, and of the Two-Peak Structure of the {{math|''P{{ind|c}}''(4450){{exp|+}}}} |périodique=[[Physical Review Letters]] |volume=122 |numéro article=222001 |date=5 juin 2019 |doi=/10.1103/PhysRevLett.122.222001 |lire en ligne=https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.222001 |consulté le=7 juin 2019 |format=pdf }}.</ref>.

En plus des quarks de valence, les hadrons sont composés d'une « mer » de paires quark-antiquark qui participent aux propriétés globales du hadron, et en particulier à sa masse.

Deux exceptions à ce phénomène de confinement sont :

* Le quark top: cette saveur de quark, la plus lourde de toutes, possède assez d'énergie pour n'interagir que faiblement avec les autres quarks (principe de [[liberté asymptotique]]) et est donc le seul quark à pouvoir être observé directement dans les conditions usuelles. Les conséquences de cela en termes expérimentaux sont cependant limitées par sa grande instabilité ;
* Les phases exotiques de QCD, et notamment le [[plasma quark-gluon]]: à haute température tous les quarks peuvent atteindre de hautes énergies leur permettant d'échapper au confinement, les poids de Boltzmann ne favorisant plus autant l'[[hadronisation]].

Note : À l'extrême, on peut considérer que les [[étoile étrange|étoiles étranges]] (étoiles à quarks) sont des assemblages macroscopiques de quarks (U ; D et S) liés par l'interaction de couleur, avant de l'être par la [[Pesanteur|gravité]] comme ça l'est pour les [[étoile à neutrons|étoiles à neutrons]]. Ces dernières ont une masse (théorique) minimale de 0,09 [[masse solaire]]<ref>Jean-Pierre Luminet, ''Le Destin de l'Univers'', éditions Fayard, 2006, {{p.|204}}.</ref>, alors que théoriquement les étoiles à quarks n'auraient pas de [[masse minimale]]. Les étoiles à quarks sont à la limite entre observation et théorie.

Ces associations de quarks ont été évoquées pour rendre compte de la [[Matière noire|matière sombre]] de l'[[Univers]]. Elles auraient été formées dans les premiers instants du [[Big Bang]], mais leur conservation aurait été problématique de par les conditions régnant alors.

== Interaction des quarks, notion de gluon ==
Les quarks interagissent par l'intermédiaire de l'[[interaction forte]], décrite par la [[chromodynamique quantique]] qui a une structure voisine de celle de l'[[électrodynamique quantique]] mais plus compliquée<ref group="Note">L'électrodynamique quantique est basée sur le [[groupe de jauge]] <math>U(1)</math> qui est [[groupe abélien|abélien]]. La chromodynamique quantique est basée sur le groupe de jauge <math>SU(3)</math> qui est non abélien et rend l'étude extrêmement plus complexe notamment à cause du problème non résolu du confinement.</ref> que cette dernière. La charge de couleur pour l'interaction forte joue alors un rôle analogue à celui de la charge électrique pour l'interaction électromagnétique.

Le [[proton]] est un baryon constitué de deux quarks ''up'' et d'un seul quark ''down''. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1.<br />
Le [[neutron]] est aussi un baryon composé de deux quarks ''down'' et d'un seul quark ''up''. Sa charge électrique est de: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 soit 0. Il est donc neutre.

Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leur [[masse]] extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.

Le comportement des quarks lors par exemple de la transmutation d'un proton en neutron (ou l'inverse) laisse soupçonner aux chercheurs que les quarks ne sont pas le stade ultime de la matière et qu'ils seraient eux aussi composés d'entités plus petites nommées [[préon]]s<ref>{{en}} [http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-inner-life-of-quarks Article de Don Lincoln, directeur de recherche au Fermilab, intitulé ''The Inner Life Of Quarks'', paru dans la revue Scientific American de novembre 2012.] Article paru en français dans le {{n°|428}} de juin 2013 de la revue [[Pour la Science|Pour La Science]].</ref>.

=== Les gluons ===
Les médiateurs de l'interaction forte sont nommés [[gluon]]s. Comme les quarks, les gluons portent des charges de couleur, mais''' '''à la fois une couleur {{souligner|et}} une anti-couleur'''.''' Comme les [[Photon|photons]], ils ont une charge électrique nulle. Ils sont au nombre de huit, ce qui correspond à la dimension du [[groupe de Lie|groupe]] <math>SU(3)</math> utilisé pour décrire mathématiquement l'interaction forte. Ils interagissent avec les quarks : un gluon bleu-antirouge absorbé par un quark rouge va le transformer en quark bleu ; ou encore un quark vert pourra émettre un gluon vert-antirouge en devenant rouge.

== Remarques ==
Masses des quarks : les masses indiquées des quarks U et D sont uniquement issues de l'influence du [[champ de Higgs électrofaible|champ de Higgs]]. On prend également en compte l'influence du champ de gluons, qui est responsable en moyenne de près de {{unité|300|MeV}}.c{{exp|-2}} par quark, soit la quasi-totalité de la masse.
En effet, quand on divise la masse d'un nucléon par trois (nombre de quarks) on trouve bien ~{{unité|300|MeV}}.c{{exp|-2}}  (avec des estimations de seulement 4 à {{unité|8|MeV}}.c{{exp|-2}} pour le quark D et 1,5 à {{unité|4|MeV}}.c{{exp|-2}} pour le quark U).

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{ références | groupe="Note" }}

=== Références ===
{{Références|colonnes=2}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets
|wiktionary=quark
|wiktionary titre=quark
}}

=== Bibliographie ===
* {{Article | langue=en | prénom=Murray | nom=Gell-Mann | lien auteur=Murray Gell-Mann | titre=A schematic model of baryons and mesons | périodique=[[Physics Letters A|Physics Letters]] | volume=8 | numéro=3 | mois={{date-|février|compact=oui}} | année=1964 | pages=214-215 | oclc=4634435178 | doi=10.1016/S0031-9163(64)92001-3 | bibcode=1964PhL.....8..214G | lire en ligne=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0031916364920013 | libellé=Gell-Mann 1964}}.
* {{Ouvrage | langue=en | prénom=George | nom=Zweig | lien auteur=George Zweig | titre=An SU(3) model for strong interaction symmetry and its breaking ''({{1re|version}})'' | lieu=Genève | éditeur=[[Organisation européenne pour la recherche nucléaire|CERN]] | mois={{date-|16 janvier|compact=oui}} | année=1964 | pages totales={{unité|1|{{abréviation discrète|vol.|volume(s)}}}}, 24 | lire en ligne=http://cds.cern.ch/record/352337/files/CERN-TH-401.pdf | format électronique=pdf | id=Zweig_1964a | libellé=Zweig 1964a}}.
* {{Ouvrage | langue=en | prénom=George | nom=Zweig | lien auteur=George Zweig | titre=An SU(3) model for strong interaction symmetry and its breaking ''({{2de|version}})'' | lieu=Genève | éditeur=[[Organisation européenne pour la recherche nucléaire|CERN]] | mois={{date-|21 février|compact=oui}} | année=1964 | pages totales={{unité|1|{{abréviation discrète|vol.|volume(s)}}}}, 77 | lire en ligne=http://cds.cern.ch/record/570209/files/CERN-TH-412.pdf | format électronique=pdf | id=Zwei_1964b | libellé=Zweig 1964b}}.
* {{Ouvrage | langue=fr | prénom1=Richard | nom1=Taillet | prénom2=Loïc | nom2=Villain | prénom3=Pascal | nom3=Febvre | titre=Dictionnaire de physique | lieu=Louvain-la-Neuve | éditeur=[[Groupe De Boeck|De Boeck Supérieur]], hors {{coll.}} | mois={{date-|janvier|compact=oui}} | année=2018 | numéro d'édition=4 | année première édition={{date-|mai 2008}} | pages totales={{unité|1|{{abréviation discrète|vol.|volume(s)}}}}, {{X}}-956 | format livre={{dunité|17|24|cm}} | isbn10=2-8073-0744-2 | isbn1=978-2-8073-0744-5 | ean=9782807307445 | oclc=1022951339 | bnf=456469019 | sudoc=224228161 | lire en ligne={{Google Livres|id=pjlFDwAAQBAJ}} | présentation en ligne=https://www.deboecksuperieur.com/ouvrage/9782807307445-dictionnaire-de-physique | consulté le=1 avril 2020 | partie={{s.v.}}quark | passage=612 | libellé=Taillet, Villain et Febvre 2018}}.

=== Articles connexes ===
* [[Baryon]]
* [[Hadron]]
* [[Lepton]]
* [[Méson]]
* [[Préon]]
* [[Chromodynamique quantique]]
* [[Diffusion profondément inélastique]]
* [[Étoile étrange|Étoile à quarks]]
* [[Quark charmé]]
* [[Pentaquark]]
* [[Hexaquark]]
* [[Strangelet]]
* [[Sfermion]]

=== Liens externes ===
* [https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/quarks-la-particule-ultime «Quarks : la particule ultime ?»] ''La Méthode scientifique'', France Culture, {{date-|12 novembre 2019}}
* {{en}} [http://pdg.lbl.gov/2006/listings/qxxx.html Caractéristiques des quarks] d'après le ''[[Particle Data Group]]''
* {{en}} [http://physics.uchicago.edu/images/top_quark.jpg exemple de détection de quark]
* [https://groups.ijclab.in2p3.fr/simulations-pour-cours-de-physique/2015/06/08/un-modele-naif-de-la-physique-des-quarks/ Simulation naïve (en mécanique classique) d'interaction entre quarks dans le proton et le méson, et de l'interaction entre quarks (y compris l'annihilation) et entre électrons et quarks. A l'usage des non spécialistes. Université Paris Saclay]


{{Palette|Tableau particules}}
{{Portail|physique}}

[[Catégorie:Quark| ]]