Cinquante ans de quarks

En 1964, deux physiciens ont postulé l’existence de particules subatomiques aujourd’hui connues sous le nom de quarks.

Les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig travaillaient chacun de leur côté à une théorie sur la symétrie des interactions fortes en physique des particules.  Dans ce contexte, ils ont suggéré que d’importantes propriétés des particules soumises à l’interaction forte, les hadrons, pouvaient s’expliquer si celles-ci étaient constituées d’autres particules plus petites.

Murray Gell-Mann in the ATLAS experimental cavern
Murray Gell-Mann a visité le CERN et l’expérience ATLAS en janvier de l’année dernière (Image: Maximilien Brice/CERN)

En 1961, Gell-Mann avait établi un modèle de symétrie, la « voie octuple », fondé sur des propriétés mathématiques de symétrie du groupe SU(3). Ce modèle (pour lequel il a reçu le prix Nobel de physique en 1969) répartissait les hadrons en deux principaux groupes, un peu à la manière du tableau de classification périodique des éléments chimiques.

Gell-Mann s’est appuyé sur ce travail pour établir un nouveau modèle capable de décrire, entre autres, les propriétés magnétiques des protons et des neutrons. Or, ce modèle supposait l’existence de trois nouvelles particules élémentaires, qu’il a appelées « quarks ».

Gell-Mann explique qu’il avait tout d’abord pensé au nom « quork », avant de tomber par hasard sur le mot « quark » dans le roman Finnegans Wake de James Joyce.

Le physicien George Zweig a apporté sa contribution au domaine dans un article daté du 17 janvier 1964, alors qu’il était au CERN en tant que visiteur scientifique. D’après cet article, « aussi bien les mésons que les baryons sont tous deux constitués d’un ensemble de trois particules élémentaires qu’on appellera “as” (aces en anglais) ».

George Zweig a visité le CERN et la caverne d’ALICE en septembre de l’année dernière (Image: Panagiotis Charitos)

Même si le nom choisi par George Zweig pour ces particules n’est pas resté, c’est lui qui a montré que certaines propriétés des hadrons pouvaient s’expliquer si on les traitait comme des structures contenant trois autres constituants, les triplets.

Les quarks de Gell-Mann et les as de Zweig devaient forcément avoir une charge électrique égale à 1/3 ou à 2/3 (la charge d’un électron ou d’un proton étant égale à 1). Aussi, la recherche de particules de cette charge devait permettre de confirmer ou non leur existence.

En 1968, une série d’expériences sur la diffusion électron-proton menée par la collaboration MIT-SLAC au Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), aux États-Unis, a révélé les premiers signes de l’existence d’une structure interne dans les nucléons. L’équipe a projeté des électrons contre des protons et observé la manière dont les premiers rebondissaient. Les axes de diffusion observés ont pu être expliqués par la présence de particules ponctuelles à l’intérieur des protons. Au cours des années qui ont suivi, le recoupement de ces résultats avec ceux produits par la diffusion de neutrinos dans la chambre à bulles Gargamelle, au CERN, a permis de comprendre que ces constituants ont effectivement une charge de 1/3 ou 2/3.

Les quarks sont aujourd’hui un élément essentiel du Modèle standard. Dans de nombreuses expériences menées au CERN, y compris au LHC, des physiciens mesurent les propriétés des particules de Gell-Mann et de Zweig avec une précision toujours plus grande.

Pour en savoir plus sur les quarks