Murray Gell-Mann en visite au Cern en janvier 2013. Le prix Nobel de physique se tient devant le détecteur Atlas. C'est l'un des principaux architectes du modèle standard des particules élémentaires. Ses travaux portent aussi sur la cosmologie quantique, et il est à l'origine de l'institut de Santa Fe (Santa Fe Institute, ou SFI), un institut de recherche spécialisé dans l'étude des systèmes complexes. © Maximilien Brice, Cern

Sciences

Les 40 ans des gluons, la colle des quarks

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En 1979, était obtenue la première preuve convaincante de l'existence des gluons, les cousins des photons responsables des forces nucléaires fortes entre les quarks dans les protons et les neutrons. Elle accréditait le modèle standard actuel de la physique des particules qui venait tout juste d'être découvert théoriquement et commençait à accumuler les succès.

Le 18 juin 1979, lors d'une conférence donnée en Norvège à Bergen, une équipe de physiciens des particules travaillant au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron : synchrotron allemand à électrons) - un important centre de recherche en Europe en physique des particules et en rayonnement synchrotron - faisait savoir qu'une des prédictions du tout jeune modèle standard en physique des particules venait d'être vérifié. Les chercheurs annonçaient en effet la première observation de ce qui est désormais connu comme un évènement avec trois jets hadroniques dans l'expérience Tasso. Celle-ci mesurait à l'aide d'un détecteur, héritier de la fameuse chambre proportionnelle multifilaire du prix Nobel de physique français Georges Charpak, les produits des collisions de faisceaux de positrons et d'électrons accélérés par le Positron-Electron Tandem Ring Accelerator (Petra).

Ce type d'évènement n'était rien de moins que la confirmation de l'existence des gluons prédite, en 1972, par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann lorsqu'ils ont publié la même année les équations d'une théorie ayant permis aux physiciens de pénétrer profondément dans le monde des hadrons. C'est-à-dire celui des neutrons et des protons en premier lieu, mais aussi des mésons et autres baryons dont la structure en quarks - des particules toujours considérées comme élémentaires aujourd'hui - avait été découverte en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par George Zweig, alors en poste au Cern, et tout jeune thésard de Gell-Mann, le prix Nobel de physique 1969 qui nous a quittés le mois dernier.

La force la plus puissante de l'univers est la force nucléaire forte. Elle régit le comportement des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons. Le nom de la théorie, qui régit cette force, est la chromodynamique quantique, ou QCD. Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique les subtilités de cette composante dominante du modèle standard. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

La QCD et les gluons

Gell-Mann faisait partie des physiciens des particules qui, au cours des années 1960, avait postulé l'existence d'un équivalent de la charge électrique pour les quarks qu'il avait baptisé « couleur ». Avec Fritzsch, il s'était donc rendu compte que l'on pouvait construire un équivalent de la théorie de l'électrodynamique quantique avec cette charge qui se déclinait en trois versions : verte, rouge et bleue. On disposait donc d'une théorie, baptisée encore une fois par Gell-Mann (en 1976), la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics en anglais). Selon cette théorie des champs de Yang-Mills basée sur des symétries de groupes, comme l'est celle de la force électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg, il devait alors exister huit cousins du photon qui étaient également porteurs de ces charges alors que le photon est électriquement neutre.

Ces gluons étaient responsables de forces nucléaires fortes, bien plus intenses que la force électrique, « collant » les quarks dans les hadrons et les empêchant d'exister à l'état libre dans des conditions normales de pression et de température. Les gluons étant colorés, ils se confinaient eux-mêmes par des effets non-linéaires avec des forces croissant avec la séparation, contrairement aux forces électriques et gravitationnelles. Pour cette raison, on n'observait pas non plus de gluons à l'état libre.

Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique l'origine de la notion de couleur en théorie des quarks, en complément à la vidéo précédente où il parle de la théorie de la chromodynamique quantique décrivant la force nucléaire forte entre ces quarks dans les hadrons. Traduction en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite et sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et sur « Traduire automatiquement ». © Fermilab

Mais, en 1976, John Ellis, Mary Gaillard et Graham Ross comprennent rapidement en se basant sur une idée qu'avait eu Ellis, tout en marchant du pont de la cafétéria du Cern à son bureau et tournant au coin de la bibliothèque, que la théorie des gluons devait avoir une conséquence permettant de prouver sa pertinence, comme les trois physiciens allaient le montrer dans un article.

Si l'on faisait entrer en collision un électron avec son antiparticule, un positron, une paire de quarks et d'antiquarks devait parfois résulter de l'annihilation de ces particules sous forme d'un photon produisant lui-même cette nouvelle paire. S'éloignant à grande vitesse, ces quarks se mettaient alors à rayonner copieusement des gluons par effet de freinage appelé bremsstrahlung et analogue à son cousin en électrodynamique quantique, produisant trois gerbes de nouveaux quarks et gluons s'associant pour donner des hadrons. On devait donc s'attendre non pas à deux mais trois jets de hadrons.

Cette spectaculaire prédiction a donc été vérifiée il y a 40 ans et elle a contribué à crédibiliser la QCD et son association avec le modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg qui lui prédisait l'existence des bosons W, Z et bien sûr le fameux boson de Brout-Englert-Higgs.

La théoricienne Mary Gaillard en discussion avec le prix Nobel de physique Murray Gell-Mann en 1972. © Cern PhotoLab
  • Les gluons sont des cousins des photons qui sont responsables des forces nucléaires fortes entre les quarks, des particules élémentaires composant les hadrons et en particulier les protons et les neutrons.
  • Ils portent un équivalent de la charge électrique sous trois formes que l'on appelle « couleur », en l'occurrence bleue, verte, rouge de sorte qu'ils s'attirent. Les quarks portent aussi ces charges de couleur, et c'est pour cette raison que la théorie des forces fortes entre les quarks a été appelée la chromodynamique quantique, par analogie avec l'électrodynamique quantique décrivant photons et particules électriques chargées.
  • Les gluons sont rayonnés par les quarks et ils peuvent eux-mêmes en produire.
  • En 1979, des triplets de jets de hadrons impliqués par l'existence des gluons et qui avaient été prédits en 1976 par John Ellis, Mary Gaillard et Graham Ross ont été observés dans des collisions d'électrons et de positons générant des paires de quarks et d'antiquarks dans le détecteur Tasso du laboratoire allemand Desy.
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