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Le nombre de baryons et les types de quarks
Le nombre de baryons indique si tu as affaire à une particule ou à une antiparticule. Tu trouveras dans le tableau suivant les différents types de quarks.
| Tableau 1. Types de quarks : symboles, charge, nombres de baryons et nombres étranges. | ||||
|---|---|---|---|---|
| Particule | Symbole | Charge électrique | Nombre de baryons | Nombre étrange |
| Haut | u | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Vers le bas | d | -⅓ | + ⅓ | 0 |
| Étrange | s | -⅓ | + ⅓ | -1 |
| Charme | c | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Haut | t | + ⅔ | + ⅓ | 0 |
| Bas | b | -⅓ | + ⅓ | 0 |
Pour chaque quark de ce tableau, il y a un antiquark. Les antiquarks possèdent une charge, un nombre de baryons et un nombre étrange opposés, mais la même masse.
Quelle est la physique des quarks ?
Les quarks sont impliqués dans plusieurs processus physiques. Ils constituent la masse de l'univers, car ce sont les particules élémentaires qui composent les protons et les neutrons et leur donnent une charge électrique. Les quarks forment également des hadrons spéciaux tels que le Pion plus et le Kaon plus. Et les quarks sont présents dans la désintégration bêta, qui est une forme de rayonnement.
Charge hadronique et quarks
Les protons et les neutrons sont tous deux constitués de trois quarks dont le symbole est qqq. La combinaison des quarks ascendants et descendants t'indique à quel type de particule tu as affaire. Pour savoir quelle particule un quark constitue, tu dois additionner trois quarks de manière à obtenir une charge fondamentale de 1 pour un proton ou de 0 pour un neutron, comme dans les exemples suivants.
Proton
Comme les protons ont une charge élémentaire de 1, les charges des quarks qui composent le proton doivent être de 1. Pour avoir trois quarks et une valeur de charge de 1, tu dois avoir deux quarks up et un quark down.
\(proton = udu\)
En additionnant la charge totale des trois quarks, tu obtiens 1.
\(proton \space charge = \frac{2}{3} - \frac{1}{3} + \frac{2}{3} = 1\)
La charge fondamentale totale indique qu'il s'agit d'un proton. Les protons et les neutrons sont également connus sous le nom de baryons, qui constituent la matière normale. En additionnant leurs nombres de baryons, tu dois obtenir 1.
\(proton = \frac{1}{3} + \frac{1}{3} + \frac{1}{3} = 1\)
Un nombre de baryons égal à 1 t'indique que tu as affaire à un baryon constitué de matière normale.
Neutron
Comme les neutrons ont une charge fondamentale de 0, les charges des quarks qui composent le proton doivent être de 0. Pour avoir trois quarks et aucune charge, tu dois avoir deux quarks down et un quark up.
\(neutron = dud\)
En additionnant toutes les charges, tu obtiens 0.
\(neutron \space charge = -\frac{1}{3} + \frac{2}{3} - \frac{1}{3} = 0\)
La charge fondamentale totale indique qu'il s'agit d'un neutron. Les neutrons et les protons sont également connus sous le nom de baryons, qui constituent la matière normale. En additionnant leurs nombres de baryons, tu dois obtenir 1.
\(neutron = \frac{1}{3} + \frac{1}{3} + \frac{1}{3} = 1\)
Un nombre de baryons égal à 1 t'indique que tu as affaire à un baryon constitué de matière normale.
Pion plus et kaon plus hadrons
Les quarks peuvent se combiner avec un antiquark, créant ainsi un duo matière-antimatière, comme dans le cas des hadrons pion plus et kaon plus.
- Pion plus : combinaison d'un quark up qui a une charge de + ⅔ et d'un antiquark down qui a une charge de + ⅓ et donc une charge totale de 1.
- Kaon plus : combinaison d'un quark up qui a une charge de + ⅔ et d'un antiquark étrange qui a une charge de + ⅓ et donc une charge totale de 1.
Les quarks pion plus et kaon plus ont un nombre de baryons de 0, ce qui indique qu'ils sont une combinaison de matière et d'antimatière.
Quarks et désintégration bêta
Si un noyau a trop de neutrons ou de protons, un processus appelé désintégration bêta peut commencer. La désintégration bêta transforme un proton en neutron ou un neutron en proton. Les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down (udu), tandis que les neutrons sont constitués de deux quarks down et d'un quark up (dud).
Dans le cas d'une conversion de neutron en proton, un quark down doit se convertir en quark up. Cette conversion comprend la libération d'un électron, qui enlève la charge négative, et d'un antineutrino, comme indiqué ci-dessous :
\(^1_0{n} \rightarrow ^1_1{p} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)
Tu peux observer la conservation dans l'équation. Le neutron a un nombre de baryons de 1 dans le coin supérieur et 0 comme charge fondamentale dans le coin inférieur.
Le résultat de la désintégration doit être un proton avec une charge de 1 et un électron avec une charge de -1. Au cours de ce processus, un antineutrino est également émis.
\(\text{conservation de la charge = charge du neutron = charge du proton + charges des électrons}\)
Interaction faible et quarks
Le processus qui transforme un neutron en proton est appelé processus d'interaction faible. Il existe quatre processus d'interaction faible, comme indiqué ci-dessous.
Le processus de transformation du neutron en proton : un neutron se transforme en proton et libère un électron et un antineutrino.
\(^1_0{n} \rightarrow ^1_1{p} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)
Le processus de transformation du proton en neutron : un proton se transforme en neutron et libère un positron et un neutrino.
\(^1_1{p} \rightarrow ^1_0{n} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)
Capture d'électrons : un noyau atomique capture un électron, et le proton absorbe l'électron. Cette réaction libère un neutron et un neutrino.
\(^1_1{p} + ^0_{-1}{e} \rightarrow ^1_0{n} + \bar{v_\varepsilon}\)
Collision entre un proton et un électron : un proton entre en collision avec un électron, ce qui a pour effet de libérer un neutron et un neutrino.
\(^1_1{p} + ^0_{-1}e \rightarrow ^1_0{n} + \bar{v_\varepsilon}\)
Dans les quatre processus, une particule de boson W+ ou W- joue le rôle de transporteur de l'énergie.
Diagramme de Feynman et quarks
Le diagramme de Feynman permet de montrer l'interaction entre les particules lorsqu'elles émettent ou absorbent de l'énergie tout en créant d'autres particules. Prenons l'exemple de la désintégration bêta d'un neutron en proton, comme indiqué ci-dessous :
\(^1_0{n} \rightarrow ^1_1{p} + ^0_{-1}{e} + \bar{v_\varepsilon}\)
Le diagramme de Feynman correspondant est le suivant :
Quarks étranges et nombre étrange
Les photons de haute énergie tels que les rayons gamma peuvent entrer en collision avec des particules, émettant ainsi d'autres particules et des radiations. Dans l'atmosphère terrestre, ils injectent de l'énergie dans les molécules d'air, créant ainsi des quarks étranges. Cependant, les particules créées ne se séparent pas en particules plus petites aussi rapidement que les scientifiques l'avaient prévu. Cet effet a été expliqué par une nouvelle propriété appelée étrangeté, qui est indiquée par le nombre étrange. Les nombres étranges ne changent que lors des interactions de force faible.
Physique des quarks - Principaux enseignements
- La matière telle que nous la connaissons est constituée de quarks, de hadrons que sont le neutron et les protons composés de quarks positifs appelés quarks up et down.
- Les quarks positifs ont une charge de + ⅔ et de - ⅓. Lorsque trois d'entre eux sont additionnés pour former un neutron ou un proton, la combinaison respective est soit 0, soit 1.
- Il existe également d'autres particules, comme le pion plus et le kaon plus, qui sont constituées d'une combinaison de quarks et d'antiquarks. Contrairement aux neutrons et aux protons, elles ne possèdent que deux quarks au lieu de trois.
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