Il y a donc ces choses appelées quarks. (Je sais, j'aurais aimé qu'ils aient un meilleur nom, mais je ne suis pas en charge de nommer les choses en physique.) Les quarks sont de petites particules minuscules (nous arriverons à la taille exacte d'un peu) qui sont des éléments fondamentaux de la matière. Pour autant que nous puissions en juger, les quarks eux-mêmes ne sont pas constitués de quelque chose de plus petit. Cela pourrait changer à l'avenir au fur et à mesure que nous en apprendrons plus, mais c'est assez bon pour l'instant.
Il existe six types de quarks, chacun avec des noms différents mais tout aussi originaux: haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Et malgré son nom, le plus étrange des sextuplés est en fait le quark top.
Creusons profondément.
Un monde à l'envers
De loin, les quarks les plus courants que vous rencontrerez sont ceux de haut en bas. Ce sont eux qui se regroupent en triplets pour former des protons (deux hauts et un bas) et des neutrons (deux bas et un haut). Pour former la charge positive familière du proton et la charge neutre sur le neutron, les quarks ont besoin de charges fractionnaires. Je sais, ça semble bizarre, mais c'est seulement parce que nous pensée que la charge des protons et des électrons était fondamentale. Il s'avère que nous nous trompions. Le quark up a une charge de plus des deux tiers, tandis que le quark down est assis à moins un tiers.
Ce qui est encore plus déroutant à propos des quarks, c'est qu'ils sont étonnamment légers. Le quark up ne représente que 0,2% de la masse du proton, tandis que son partenaire le quark down ne représente qu'environ 0,5% de la masse du proton. Alors, comment ces particules minables peuvent-elles s'additionner à la masse d'un proton volumineux?
La réponse est la force qui relie les quarks: la force nucléaire puissante. Cette liaison entre les quarks est incroyablement forte - vaincre facilement la répulsion électrique naturelle des quarks de charge similaire. Et comme l'énergie est la même chose que la masse (merci, Einstein!), La masse du proton est vraiment due à la colle, et non aux quarks eux-mêmes.
Vivre au sommet
Tous les quarks ne sont pas si gros. Mais dans le monde de la physique des particules, les grandes nouvelles sont mauvaises. Être massif, c'est comme être au sommet d'une haute montagne maigre. Bien sûr, les vues sont superbes, mais tout soupçon de brise vous enverra dans une position plus stable. Et stable signifie petit - si vous êtes une particule massive souffrant d'une instabilité, vous vous retrouvez rapidement en train de vous transformer en une douche de vos petits cousins.
Cela signifie que la vie est tout simplement pêche pour les quarks de haut en bas. Ce sont les plus petits; alors même s'ils n'ont pas de superbes vues, ils ne courent aucun risque de tomber d'une falaise existentielle. Les prochains plus grands quarks, étranges et charmants, se trouvent rarement en grande abondance dans la nature. Ils sont si massifs qu'ils sont difficiles à fabriquer en premier lieu, et dès qu'ils sont fabriqués par un processus exotique, ils se désintègrent rapidement en quelque chose d'autre, ne laissant rien de plus qu'un souvenir.
Pendant un bon moment, les physiciens ont pensé qu'il n'y avait que ces quatre quarks - haut, bas, étrange et charme. Mais au début des années 1970, ils ont commencé à soupçonner le contraire en examinant quelques rares désintégrations impliquant des kaons (et encore une fois, je ne suis pas en charge de nommer les choses. Le kaon est un duo d'un quark étrange et soit un quark haut ou bas) . Afin d'expliquer l'étrange désintégration qui a produit ces kaons, les théoriciens ont dû deviner l'existence d'une nouvelle paire de quarks, qu'ils ont surnommés le haut et le bas. Ces nouveaux quarks étaient beaucoup, beaucoup plus lourds que les quatre autres (sinon nous les aurions déjà vus).
Une fois que le quark n ° 5 (le bas) a rejoint le club des particules connues et mesurées en 1977, la course était lancée pour trouver le sixième et dernier (le haut). Mais le problème était que personne n'avait la moindre idée de sa taille, ce qui signifie que nous ne savions pas à quel point nous devions rendre nos accélérateurs de particules plus robustes avant d'en sortir un. Chaque année, des groupes du monde entier ont amélioré leur équipement, et chaque année ils ont échoué, poussant la masse de la particule alors hypothétique vers le haut.
Ce n'est qu'en février 1995 que les chercheurs du Fermilab ont enfin pu revendiquer la découverte d'un quark top avec une masse basculant la balance près de 200 fois plus lourde qu'un proton. C'est vrai: alors que les quarks de haut en bas font à peine tout le travail pour transformer un proton en proton, le quark du haut peut facilement claquer des atomes entiers avec facilité.
Entrez les Higgs
Le quark top est environ 100 billions de fois plus lourd que le quark up. C'est zonte. Mais pourquoi? Pourquoi les quarks ont-ils une gamme de masses aussi immense?
C'est là que le boson de Higgs entre en jeu. Le boson de Higgs est associé à un champ (le champ de Higgs, un peu comme le champ électromagnétique) qui imprègne tout l'espace-temps, comme une colle invisible remplissant l'univers. D'autres particules fondamentales, comme les électrons, les neutrinos et les quarks, doivent nager dans ce champ pour aller d'un endroit à l'autre. Le fait même que les particules fondamentales ne peuvent ignorer le champ de Higgs est (à travers diverses mathématiques) la raison même de leur masse.
Ah, un indice, alors. Si le Higgs est en quelque sorte connecté au concept même de masse, et que le quark supérieur est de loin le plus lourd des quarks, alors le boson de Higgs et le quark supérieur doivent être meilleur d'amis.
Et donc au fil des ans, le quark top est devenu une passerelle vers notre compréhension des Higgs, et nous espérons qu'avec une étude plus approfondie des Higgs lui-même, nous pourrons avoir des perspectives sur la masse mystérieusement grande du quark top.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
