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Encore plus petit ...



  1. #1
    Pleinton

    Encore plus petit ...


    ------

    Bonjour à tous,
    Je me posais une question dont je ne sais pas si les scientifiques actuels ont la réponse.
    Les molécules qui composent notre monde sont composées d'atomes, eux même composés de particules "élémentaires" telles que l'électron, le proton et le neutron. Ces chères particules sont composées de quarks (et de gluons, ...).
    Mais, voilà la question : De quoi sont composés ces quarks ???

    -----

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  3. #2
    Sethy

    Re : Encore plus petit ...

    C'est plutôt une question pour le forum physique, je suppose qu'un admin va le déplacer.

    A ma connaissance, on a effectivement la preuve de l'existence d'une structure au niveau subnucléaire. Protons et neutrons sont constitués d'autres particules, ça, c'est prouvé par l'expérience.

    Je ne sais pas si on a prouvé que ce sont bien des quarks (je parle bien de preuve, pas de théories très très fécondes). Par contre, à ma connaissance, on a aucune preuve de l'existence d'une structure dans les quarks, ni dans l'électron d'ailleurs. Par structure, j'entends bien l'idée de particules encore plus petites et liées entre elles par quelque chose.

  4. #3
    invite07941352

    Re : Encore plus petit ...

    Bonjour,
    De quoi sont composés les quarks ? Réponse : " De rien que nous connaissions aujourd'hui " .

    Il n'est pas impossible que les quarks soient composés de constituants plus petits ;
    Seulement, il y a des contraintes théoriques actuelles tellement rigides qui font qu'ils sont considérés aujourd'hui comme des particules élémentaires ...
    Demain, sera un autre jour ...
    "Un état bien dangereux : croire comprendre "

  5. #4
    LPFR

    Re : Encore plus petit ...

    Citation Envoyé par catmandou Voir le message
    ...
    Demain, sera un autre jour ...
    Bonjour.
    Oui.
    Il suffit de se souvenir que le nom des atomes veut dire qu’on ne peut pas les diviser.
    Au revoir.

  6. #5
    Pleinton

    Re : Encore plus petit ...

    Mais, il faut bien que cela s'arrête un jour, ça devient inconcevable d'imaginer ou de prouver l'existence de particules plus petites qu'un quark. Et même, si, un jour, on arrive à prouver qu'il y en a, on va encore trouver autre chose de plus petit --> je vois pas comment c'est physiquement possible ...

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    Garion

    Re : Encore plus petit ...

    L'univers n'est pas intéressé par ce que tu juges concevable ou pas. Si l'existence est prouvée, ça existe, c'est tout. Rien ne te permet de dire que c'est physiquement impossible.

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  10. #7
    albanxiii

    Re : Encore plus petit ...

    Bonjour,

    Citation Envoyé par catmandou Voir le message
    De quoi sont composés les quarks ? Réponse : " De rien que nous connaissions aujourd'hui " .
    Il y a des théories qui avancent l'hypothèse que les quarks et les leptons seraient constitués des particules "encore plus" élémentaires. Voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A9on
    J'avais lu un article là dessus dans "Pour la science" il y a un moment.

    @+
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  11. #8
    Pleinton

    Re : Encore plus petit ...

    Je me doute mais c'est quand même hyper compliqué de s'imaginer quelque chose comme cela ^^ non ?

  12. #9
    Pleinton

    Re : Encore plus petit ...

    Merci pour ton article, albanxiii

  13. #10
    albanxiii

    Re : Encore plus petit ...

    Citation Envoyé par Pleinton Voir le message
    Je me doute mais c'est quand même hyper compliqué de s'imaginer quelque chose comme cela ^^ non ?
    Pour imaginer il y a toujours des gens qui y arrivent.
    C'est autre chose de propose une théorie ou un modèle qui soit cohérent avec ce qu'on connait déjà et qui permet d'expliquer des phénomènes jusqu'alors sans explications dans le cadre actuel (et d'en prédire de nouveaux... et d'observer ces nouveaux phénomènes). C'est un des problèmes avec la théorie des cordes d'après les spécialistes (dont je ne suis pas).

    @+
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  14. #11
    Pleinton

    Re : Encore plus petit ...

    Qu'est ce que la théorie des cordes ?

  15. #12
    albanxiii

    Re : Encore plus petit ...

    Google ne vous a pas satisfait ?
    Essayez Bing ou un autre moteur de recherche alors.
    Not only is it not right, it's not even wrong!

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  17. #13
    mmanu_F

    Re : Encore plus petit ...

    salut,

    je suis en train de rédiger une réponse avec un peu plus de détails concernant les quelques questions évoquées ici (y compris la théorie des cordes et la validation expérimentales de la théorie des quarks). je la poste très vite...
    Je sens une légère perturbation dans la Charte. -- Yoda

  18. #14
    mmanu_F

    Re : Encore plus petit ...

    Citation Envoyé par Sethy Voir le message
    Je ne sais pas si on a prouvé que ce sont bien des quarks (je parle bien de preuve, pas de théories très très fécondes).
    Salut,

    avant de répondre à la question de la possible (voir nécessaire) sous-structure des quarks (et des autres particules fondamentales), je pense qu'il est judicieux de reparler un peu des quarks (en répondant à la question de sethy) pour fixer le décors et donner de la perspective. C'est parti pour une "brève" histoire des quarks. (Pour encore plus de détails, l'article de David Gross est très bien.)

    Des débuts râtés

    Je veux d'abord dissiper les quelques doutes qui subsistent, oui les quarks et les gluons sont prouvés expérimentalement. Le premier argument (historique) en leur faveur était que leur existence supposée permettait de classer le nombre toujours croissant de particules qui étaient produitent dans les accélérateurs de particules des années 60, de la même manière que les électrons et les nucléons permettaient de classer les atomes (c'est, je pense, ce que sethy appelle une théorie très très féconde mais non-validité directement.) La communauté scientifique de l'époque était sceptique aussi, pour deux raisons.

    D'abord, malgré tous les efforts des expérimentateurs, les quarks et les gluons restaient invisibles. Ensuite, du point de vue théorique, la validité de la théorie quantique des champs (TQCh), sur laquelle l'idée de quarks s'appuyait, était très critiquée, malgré son succès fantastique pour expliquer le comportement des électrons et des photons (l'électrodynamique quantique) dans les années 50. L'explication des interactions nucléaires étaient plus complexe et le traitement de la TQCh à haute énergie était encore mal compris et conduisait à des problèmes qui semblaient insurmontables.

    Ce fut une période de grande effervescence théorique. On cherchait d'autres cadres théoriques que la TQCh. Certains, comme Murray Gell-Mann (l'artisan majeur derrière les quarks) l'utilisait encore "en cachette" pour en extraire les propriétés algébriques des quantités observables directement (les courants conservés, "current algebra") puis travaillait uniquement sur ces objets. D'autres avaient totalement renoncé à la TQCh et travaillaient directement sur les amplitudes de diffusion ("S-matrix", modèle "bootstrap"), terrain fertile sur lequel allaient se développer une nouvelle classe de modèle, les modèles à résonance duale, dont l'ingrédient de base allait bientôt sauter aux yeux.

    Pour tenter de percer les secrets de l'interaction forte, théoriciens et expérimentateurs s'étaient focalisés jusqu'à la fin des années 60, sur une type particulier de collisions à haute énergie (celles avec un faible transfert d'impulsion), essentiellement parce que les chances de collisions étaient plus grandes (plus grande section efficace) ce qui produisait beaucoup de donnée, beaucoup de particules qui apparaissaient souvent dans un état excité (comme un électron dans un atome) que l'on appelle une résonance. A la fin des années 60, Gabriele Veneziano devine LA formule (je reviendrai sur le "LA") qui permet d'expliquer l'arrangement linéaire (dans le plan "moment cinétique / énergie au carré") observé pour les résonances, sans utiliser ni la TQCh, ni les quarks. On comprendra bien vite l'origine de cette formule et du lien étrange entre moment cinétique et énergie : c'est exactement ce qu'on s'attend à trouver lorsqu'on fait tourner une corde !


    Un volte-face expérimental

    Mais, mis à part l'explication de ce phénomène particulier d'alignement des résonances, par une théorie sans quarks mais avec des cordes, il reste encore beaucoup de mystères à résoudre pour comprendre l'interaction forte. D'autant qu'à la même époque, la situation expérimentale va changer radicalement. On va commencer à s'intéresser aux collisions avec un fort transfert d'impulsion (les collisions fortement inélastiques) qui avaient été négligées jusque là parce que les sections efficaces de collision étaient beaucoup plus petites. Et il y avait des bonnes surprises de ce côté. Ce type de collisions avait déjà été utilisé par le passé, en 1909 par Ernest Rutherford pour sonder la structure des atomes d'or avec des particules alpha. Le résultat de Rutherford fut frappant : il observait que la majorité des particules passaient au travers sans déviation, mais que quelques unes était fortement déviées, comme si elle avait heurté une toute petite bille au coeur de l'atome. Il venait de découvrire le noyau atomique !

    Vous devinez certainement ce qu'il se passa 60 ans plus tard quand on balança des électrons de la même manière sur des protons : exactement la même chose, il y avait aussi de petites "billes" cachées au creux des protons ! Richard Feynman arriva très vite avec un modèle pour expliquer le détail des résultats obtenu dans ces expériences. Ce modèle descriptif ne reposait pas sur des principes de symétrie comme une TQCh, il ne parlait pas donc de quarks et de gluons, mais de particules ponctuelles nommées partons dont la distribution dans le proton était modifiée par les effets relativistes (contraction de Lorentz) et par le principe de superposition quantique qui faisait apparaître les partons de plus en plus petits lorsque l'énergie augmentait. On ne tarda pas à faire le lien avec les quarks et les gluons. En revanche, les modèles à résonance duale ne prédisaient pas le bon comportement et tombèrent dans un oubli PRESQUE complet...


    La résolution des mystères

    Dans les 5 années qui suivirent, tous les pièces du puzzle allaient enfin se mettre en place. On allait comprendre la structure d'ensemble et être en mesure de faire des prédictions vérifiées plus tard expérimentalement. Mais pour bien saisir l'étendue des problèmes à résoudre en même temps de manière cohérente, il faut se souvenir que l'interaction forte (avec ses quarks et ses gluons aux charges "colorées" invisibles et resonsable de la cohésion des noyaux atomiques) n'était pas la seule incomprise à l'époque. L'interaction faible, l'autre interaction nucléaire (responsable de la désintégration radioactive) n'avait pas encore de théorie validée par l'expérience. La théorie existait depuis Steven Weinberg (et indépendamment par Abdus Salam) en 1967. Elle unifiait l'interation faible avec l'interaction électromagnétique en utilisant le mécanisme de Higgs, mais elle était basée sur une "vilaine" théorie de champs.

    En 1970, Ken Wilson posait enfin les bases théoriques nécessaires pour valider la procédure de renormalisation (J'ai commencé a rédigé un topo pour un autre fil. Les personnes intéressées peuvent me le dire en MP, je transmettrai le lien vers le fil quand ça sera prêt.) et réconcilier complétement la communauté scientifique avec les TQCh à très haute énergie (là où des infinis commencent à apparaître dans les calculs). Peu après, Gerardus 't Hooft allait démontrer que la théorie électrofaible de Weinberg était une théorie cohérente et prédictive (renormalisable). Les conséquences de la théorie électrofaible, appliquée aux quarks, allait prédire 3 quarks supplémentaires (on en connaissant 3 jusque là, les plus légers) qui seront découverts expérimentalement par la suite (en 1974, 1977 et 1995). L'étude de la chromodynamique quantique (CDQ, la théorie des quarks et des gluons) à haute énergie avec les outils de la renormalisation allait conduire à une bonne surprise, elle expliquait pourquoi la charge forte (couleur) des quarks et des gluons restait toujours invisible (pourquoi on n'observait jamais de quarks individuels) et faisait le lien entre la physique à basse énergie avec des protons semblant contenir trois quarks et la physique à haute énergie semblant contenir de nombreux partons.

    L'idée essentielle cachée derrière la procédure de renormalisation est que la valeur mesurée des couplages (les charges éléctrique, faibles, fortes) dans une TQCh, dépend de l'énergie à laquelle on les mesure et pour la CDQ le couplage devient de plus en plus petit lorsque l'énergie augmente. Les quarks sont de plus en plus libres (on appelle ça la liberté asymptotique), de plus en plus "visibles" au sens des partons. De l'autre côté, aux faibles énergies, l'interaction entre les quarks et les gluons devient de plus en plus forte et il devient alors de plus en plus difficile d'utiliser les outils de la théorie quantique des champs pour calculer. En effet, ceux-ci sont basés sur une procédure par étape (perturbative) qui ne marche que pour un couplage petit devant 1 (l'électrodynamique quantique avec son couplage de 1/137 marche très bien). Je ne veux pas rentrer dans les détails ici, mais on trouvait là une explication à la difficulté de prédire dans le cadre de la CDQ le comportement des raisonnances ou la structure atomique en terme de protons et de neutrons. Il a fallut imaginer d'autres outils (non-perturbatifs, ou basés sur d'autres petits paramètres).

    Bien que les détails du mécanisme de confinement des charges fortes soit loin d'être faciles à aborder pour les raisons expliquées plus haut, on peut le comprendre facilement avec les mains et ... une corde. Contrairement aux charges électriques qui s'attirent de moins en moins quand on les éloigne, les charges fortes s'attirent de plus en plus. L'énergie d'interaction augmente (linéairement) avec l'éloignement, si bien que passé un certain seuil, il y a assez d'énergie d'interaction disponible pour former une nouvelle paire de quark/antiquark. Tout se passe comme si une paire de quark/antiquark étaient les extrêmités d'une corde (un tube de flux chromo-électrique pour être plus précis). En tirant sur une corde (dont la tension est indépendante de la longueur) l'énergie augmente avec la longueur (linéairement) jusqu'au point de rupture où la corde coupe en deux : on a créé une nouvelle paire de bout de corde !


    Le modèle standard de la physique des particules

    J'ai pris le temps d'expliquer le mécanisme de confinement et la liberté asymptotique parce qu'ils sont essentiels pour comprendre ce que l'on voit dans nos collisionneurs modernes et qu'il s'agit là d'une "nouvelle preuve expérimentale directe" de l'existence des quarks et des gluons. Lorsqu'on envoie deux protons l'un sur l'autre à haute énergie, la CDQ ne prédit pas des projections de débris (particules) dans toutes les directions. Elle prédit deux ou trois jets de particules très collimatés et l'explication réside dans les mécanismes propres à la CDQ.

    La collision initiale se produit avec un très grand transfert d'énergie et d'impulsion, dans ce régime les quarks sont faiblement liés (liberté asymptotique) et la description en terme de partons est appropiée (grands angles de déflections). Dans 90% des cas une paire quark/antiquark (quasi libre) est éjectée de la collision, dans 10% des cas un gluon est émis aussi dans une autre direction (déflection importante). Ces processus très durs sont rares (comme dans l'expérience de Rutherford) et on observe rarement plus de 3 éjections. Jusqu'ici tout se passe sensiblement comme en électrodynamique.

    Mais nous n'avons pas encore pris en compte le confinement. Les quarks ne peuvent pas apparaitre isolés. La "corde" liant la paire quark/antiquark est très lâche mais elle doit encore faire sentir son effet d'une manière ou d'une autre. Il faut prendre en compte les nombreux processus où le transfert d'impulsion est plus faible, ceux pour lesquels le couplage est grand. Une manière de comprendre ce qui se passe est d'imaginer que la Nature refuse de montrer un quark "tout nu" est qu'elle va l'habiller avec un nuage de gluons, qui vont se désintégrer en paires quark/antiquark qui eux-mêmes vont rayonner des gluons et ainsi de suite. Il en résulte une pluie de hadrons (particules composées de quarks) et comme leur création résulte de processus avec un faible transfert d'impulsion, toutes ces particules vont se propager grosso-modo dans la même direction que le quark original. On va observer un jet collimaté de hadrons. En utilisant notre image de "corde" on peut imaginer qu'elle se fragmente en une multitude de petites cordes "aspirées" dans la direction originale de l'élongation. Les termes de fragmentation et d'hadronisation sont souvent utilisés de manière interchangeable pour expliquer le phénomène.

    Dans ce sens, on voit réellement les quarks et les gluons sortir de la collision, pas comme des particules individuelles, mais comme des flux d'énergie très collimatés. On peut regardé la figure 2 page 29 dans l'article de Franck Wilczek et les explications page 31 et 33.

    Bien entendu, les physiciens qui gravitent autour du Grand Collisionneur de Hadron ne parle plus de tester la CDQ, mais d'en calculer ses effets avec une précision suffisante pour pouvoir discerner les effets nouveaux qui peuvent apparaître sur cette toile de fond qui découle de la CQD. Et c'est bien cette connaissance précise de la CQD et de ses effets qui a permis de discerner le boson de Higgs en 2012. Depuis ce jour, le modèle standard est expérimentalement complet et du point de vue théorique, bati sur une structure dont les parties (électromagnétique, faible, forte) sont si intimement liées les unes aux autres, qu'il est impossible d'en écarter une (les quarks par exemples) sans faire s'écrouler tout l'édifice.
    Je sens une légère perturbation dans la Charte. -- Yoda

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