Quark : la particule ultime ?

Structure atomique d’un atome d’hélium : 2 protons et 2 neutrons dans son noyau, avec 2 électrons orbitant autour. Chaque proton et neutron contient 3 quarks : un neutron a 1 quark up et 2 quarks down tandis que c’est l’inverse pour le proton.
Structure atomique d’un atome d’hélium : 2 protons et 2 neutrons dans son noyau, avec 2 électrons orbitant autour. Chaque proton et neutron contient 3 quarks : un neutron a 1 quark up et 2 quarks down tandis que c’est l’inverse pour le proton. ©Getty - RICHARD KAIL
Structure atomique d’un atome d’hélium : 2 protons et 2 neutrons dans son noyau, avec 2 électrons orbitant autour. Chaque proton et neutron contient 3 quarks : un neutron a 1 quark up et 2 quarks down tandis que c’est l’inverse pour le proton. ©Getty - RICHARD KAIL
Structure atomique d’un atome d’hélium : 2 protons et 2 neutrons dans son noyau, avec 2 électrons orbitant autour. Chaque proton et neutron contient 3 quarks : un neutron a 1 quark up et 2 quarks down tandis que c’est l’inverse pour le proton. ©Getty - RICHARD KAIL
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Comment sait-on que les quarks existent ? A quand remonte la première idée du quark comme constituant primitif de la matière ? Quelles ont été les théories prédisant la nécessité de particules précédant protons et neutrons ? Et les premières preuves observationnelles, les détections expérimentales ?

Avec
  • Raphaël Granier de Cassagnac Directeur de recherche au Laboratoire Leprince-Ringuet de l’Ecole Polytechnique, écrivain de SF
  • Sébastien Descotes-Genon Physicien théoricien spécialiste des quarks. Il est directeur de recherche CNRS et directeur du Laboratoire de Physique Théorique d’Orsay.

C’est un double anniversaire cette année pour les plus élémentaires des particules : en 1969, Murray Gell-Mann recevait le Prix Nobel de Physique pour avoir prédit l’existence des quarks. Et 10 ans plus tard, il y a 40 ans, John Ellis démontrait expérimentalement l’existence des gluons au CERN. Comment peut-on arriver à démontrer l’existence de particules aussi petites ? Comment s’organisent-elles pour former l’ensemble de la matière connue ? Et surtout, comment être sûr qu’il s’agit bien-là de la plus petite échelle des composants élémentaires ? 

Quark : la particule ultime ? C’est le programme élémentaire qui est le nôtre pour l’heure qui vient. Bienvenue dans La Méthode scientifique.

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Et pour tout comprendre, absolument tout à la façon dont ont été théorisées, découvertes et organisées ces particules élémentaires, nous avons le plaisir de recevoir aujourd’hui Raphaël Granier De Cassagnac, directeur de recherche au laboratoire Leprince-Ringuet de l’Ecole Polytechnique et Sébastien Descotes-Genon, directeur de recherche CNRS, directeur du laboratoire de physique théorique d’Orsay.

Le reportage du jour

On ne sait pas bien comment la masse totale est répartie entre les quarks dans le proton. Une autre façon de poser le problème est d’analyser la variation de densité de présence dans le noyau. Et sachant que les gluons n’ont pas de masse, les chercheurs essaient de retrouver la répartition de présence en fonction d’autres paramètres, comme la charge électrique, car les gluons sont chargés électriquement. Rencontre avec Hervé Moutarde, directeur du Laboratoire de la Structure du Nucléon, au CEA de Saclay, qui, avec son équipe, a développé pour y répondre un logiciel nommé PARTONS. Ce logiciel analyse directement les données issues des expériences (Jefferson Lab, Etats-Unis, Alice au CERN) et donne des informations sur la localisation des quarks dans le proton, et ainsi, la distribution de leur masse respective. Par Céline Loozen :

LA_METHODE_SCIENTIFIQUE - "Comprendre l'origine de la masse des quarks et leur répartition dans le proton" avec Hervé Moutarde, CEA IRFU

7 min

Pour aller plus loin

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La Méthode scientifique
59 min

Les références musicales

Le titre du jour : "Alice" par Tom Waits

Le générique de début : "Music to watch space girls by", par Leonard Nimoy

Le générique de fin : "Says" par Nils Framh

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