Chromodynamique Quantique

Cet article fait partie de la série Mécanique quantique

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La chromodynamique quantique (ou QCD, de l'anglais Quantum ChromoDynamics), est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces fondamentales. Elle fut proposée en 1973 par H. David Politzer, Frank Wilczek et David Gross pour comprendre la structure des hadrons (c'est-à-dire d'une part les baryons comme les protons, neutrons et particules similaires, et d'autre part les mésons). Ils reçurent le prix Nobel de physique en 2004 pour ces travaux. Elle utilise la théorie quantique des champs pour rendre compte de l’interaction en quarks et gluons.

D’après cette théorie, les quarks (et les antiquarks correspondants) sont confinés dans les particules qu’ils constituent et possèdent une propriété nommée « couleur » bleue, verte ou rouge, analogue à la charge électrique de la force électrostatique. Un autre principe fondamental de la théorie est qu’une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante blanche.

Le confinement des quarks provient du fait que la force qui les lie croît avec la distance. Lorsque celle-ci est très faible, les quarks n’interagissent presque pas entre eux, tandis que plus ils s’écartent et plus l’interaction s’intensifie. Ce phénomène est appelé la liberté asymptotique. Cela explique le confinement des quarks : prenons l’exemple d’un baryon (particule composée de 3 quarks). Si l’on essaye d’écarter un quark, il faut lui fournir une certaine énergie. Mais comme l’interaction forte croît avec la distance, il faudra fournir de plus en plus d’énergie, jusqu’à un certain niveau où l’énergie fournie permettra la création d’une paire quark-antiquark et on obtiendra ainsi un méson (particule composée de 1 quark et 1 antiquark) et un baryon. C’est pour cela que l’on obtient des jets hadroniques durant les collisions dans les accélérateurs de particules, et non des jets de quarks.

La chromodynamique quantique est une part importante du modèle standard de la physique des particules. Le terme « chromodynamique » vient du mot grec chrôma qui signifie couleur.

De manière plus précise, la chromodynamique quantique décrit l’interaction forte comme un groupe de jauge particulier sur la couleur des quarks, nommé groupe de jauge SU(3) (pour special unitary group, groupe spécial unitaire de degré 3).

Dans ce modèle de groupe, la charge de couleur des quarks et antiquarks composant les hadrons peut être projetée suivant les 3 axes définissant la charge de couleur, chaque axe de cette couleur étant quantifiée selon deux états complémentaires : r ou pour la charge rouge, v ou pour la charge verte, b ou pour la charge bleue. Pour les gluons constitués d'une paire quark+antiquark, on pourrait s'attendre à trouver 9 charges de couleur possibles définissant des états linéairement indépendants. Cependant le modèle chromodynamique nous apprend qu'un de ces états est intimement lié aux autres, réduisant le modèle de composition des gluons à une combinaison de seulement 8 états indépendants, selon l'équation :

.

Par ce fait, il n'est pas possible de distinguer les quarks ou antiquarks composant les gluons, qui forment une algèbre d'états à part (pour la conservation des charges de couleur), et donc que les gluons constituent une classe de particules qu'on doit distinguer des hadrons. Cette équation contraint aussi la composition des autres hadrons dans la qualification de la charge de couleur de leur état composé, quel que soit le nombre de quarks ou antiquarks (et de gluons) qui les composent, et ne permet pas de prédire le type de gluon qui sera émis lors de leur désintégration ou leur interaction, en dehors de cette équation qui définit un invariant des états solutions possibles (comparable à l'invariant de la loi de conservation du nombre baryonique dans le modèle standard, ou celle de la conservation du spin, de la charge, ou encore à celle de la conservation de l'énergie totale prenant en compte l'équivalence masse-énergie).

La chromodynamique quantique a permis de prédire de nombreux effets, tels le confinement des quarks, les condensats de fermions et les instantons.

Une version discrète de la théorie, nommée chromodynamique quantique sur réseau et développée en 1974 par Kenneth G. Wilson, a permis d’obtenir certains résultats précédemment incalculables.

Voir aussi

• Interaction forte
• Théorie quantique des champs
• Théorie de jauge
• Condensat de fermion
• Chromodynamique quantique sur réseau

Liens

• un site de vulgarisation pour la chromodynamique quantique  : [1]

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