Trois quarks colorés : pourquoi leur charge totale est-elle nulle ?

Intervenant 10:00

Bonjour et bienvenue dans le podcast du magazine Tangente. Aujourd'hui, on fait une petite plongée au cœur de la matière avec un article fascinant intitulé « La couleur des quarks ». Et notre mission, c'est de comprendre comment la physique explique l'immense diversité des particules qui font notre réalité. Parce que l'image que tout le monde a en tête, c'est le modèle classique des poupées russes en fait.

Intervenant 20:23

Oui voilà, le modèle très rassurant des poupées russes, on a des molécules, on les ouvre et hop, on trouve des atomes.

Intervenant 10:30

Exactement.

Intervenant 20:30

Et à l'intérieur de ces atomes, on a un noyau fait de protons et de neutrons, le tout entouré par un petit nuage d'électrons. C'est propre, c'est extrêmement structuré.

Intervenant 10:41

Sauf que, ben, la réalité qu'on a observée dans les accélérateurs de particules, elle ne ressemblait pas du tout à ça. On a découvert des dizaines de particules qu'on disait élémentaires. Mais s'il y en a autant avec des propriétés aussi différentes, c'est que ça ne peut pas être les véritables briques de base de l'univers, non ? C'est comme démonter une maison et trouver 50 formes de briques différentes.

Intervenant 21:02

C'est une bonne analogie. Et ce chaos, il était vraiment intolérable pour les physiciens. Ça contredisait la notion même d'élémentarité. C'est pour ça qu'en 1964, le physicien américain Murray Gell-Mann a compris qu'il fallait chercher un niveau inférieur à notre dernière poupée russe.

Intervenant 11:20

Il fallait creuser encore un peu plus quoi.

Intervenant 21:22

Exactement oui. Il a postulé que toutes ces particules observées étaient construites à partir de fragments ultimes encore plus petits. Et c'est ça qu'il a appelé les quarks. Un travail qui a d'ailleurs été couronné par un prix Nobel en 69.

Intervenant 11:36

Et c'est là-dessus que je bloque un tout petit peu en lisant l'article de Tangente. Gellman affirme que ces fameux quarks possèdent une caractéristique très bizarre, une couleur. Il parle de quarks bleus, rouges et verts. Bon, on est en physique quantique donc je me doute bien qu'un quark c'est pas une minuscule bille peinte à la gouache. Mais pourquoi on va chercher un vocabulaire de colorimétrie pour parler de physique subatomique ?

Intervenant 21:57

Alors ce n'est pas par caprice poétique, je vous rassure. C'est une stricte nécessité mathématique liée à ce qu'on appelle la chromodynamique quantique. Pour bien comprendre, il faut faire le parallèle avec la force électromagnétique qu'on connaît bien.

Intervenant 12:10

L'électricité classique en fait.

Intervenant 22:12

Voilà. L'électricité fonctionne sur un système binaire. Une charge positive s'additionne à une charge négative et boum, ça s'annule.

Intervenant 12:20

D'accord, un plus et un moins donnent un équilibre de zéro, c'est logique.

Intervenant 22:23

C'est ça. Mais pour la force nucléaire forte, donc celle qui maintient les quarks confinés ensemble à l'intérieur d'un proton par exemple, eh bien la mécanique quantique exigeait un système d'annulation à trois parties.

Intervenant 12:35

Ah donc l'équation nécessitait trois variables distinctes.

Intervenant 22:39

Absolument. L'équation de Gelman imposait ça et le modèle a une règle d'or fondamentale. À l'état libre, la charge globale d'une particule composite doit impérativement être nulle. Elle doit être neutre ou dans le jargon du modèle, on dit qu'elle doit être incolore.

Intervenant 12:53

Attendez, un color. S'il faut annuler non pas deux, mais trois éléments distincts pour obtenir cet état neutre.

Intervenant 23:00

Oui.

Intervenant 13:01

Pour former un ensemble blanc qui est globalement neutre. C'est l'explication parfaite du choix des couleurs primaires.

Intervenant 23:07

Exactement. Les physiciens ont emprunté la mécanique de notre vision parce que ça modélise parfaitement la réalité mathématique de cette force. Les couleurs s'annulent pour respecter la neutralité qu'impose la nature. Et je précise que c'est loin d'être un petit détail théorique.

Intervenant 13:22

C'est-à-dire ?

Intervenant 23:23

Eh bien sans ce mécanisme très précis de couleurs qui lie les quarks de façon extrêmement robuste, les atomes qui composent notre propre corps voleraient en éclats instantanément

Intervenant 13:32

Wow ! C'est quand même fascinant de se dire que notre existence même tient grâce à une force qu'on ne peut se représenter qu'à travers les lois de la lumière. L'élégance de ce modèle, c'est vraiment de plaquer de l'optique sur de l'invisible.

Intervenant 23:43

C'est ça, c'est toute la force des métaphores en physique. Elles rendent l'inconcevable manipulable par l'esprit humain.

Intervenant 13:50

Ça donne presque le vertige. Ce qui m'amène d'ailleurs à une pensée un peu provocatrice pour conclure notre émission. Si la science a dû emprunter le vocabulaire de la vision pour classer ses fragments ultimes, qu'est-ce qui se passera si les futurs accélérateurs de particules révèlent que les quarks cachent des briques encore plus petites ? Quelle métaphore sensorielle improbable il faudra inventer ?

Intervenant 24:08

C'est une excellente question. Après la mécanique des couleurs, on devra peut-être inventer une mécanique des saveurs, des odeurs ou des notes de musique. Si un nouveau niveau de Poupée russe s'ouvre, on pourrait très bien découvrir que la matière compose une symphonie dont on n'entend pas encore les instruments.

Intervenant 14:25

Une très belle image pour terminer. Merci de nous avoir éclairés aujourd'hui et merci à notre public de nous avoir écoutés. On se retrouve très vite pour une nouvelle exploration de la science.