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La chromodynamique quantique (en abrégé CDQ ou QCD, ce dernier de l'anglais Quantum ChromoDynamics) est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des quatre forces fondamentales, qui permet de comprendre les interactions entre les quarks et les gluons et, au passage, la cohésion du noyau atomique. 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 entre quarks et gluons.

Description

Présentation

D’après cette théorie, les quarks (et les antiquarks correspondants) sont confinés dans les particules qu’ils constituent, c'est-à-dire qu'il est impossible d'en observer à l'état libre. Ils possèdent une propriété nommée « charge de couleur » abrégée en « couleur » : bleue, verte ou rouge pour une particule ; antibleue, antiverte ou antirouge pour une antiparticule.

Il s'agit d'un nombre quantique, analogue à la charge électrique de la force électrostatique. Il n'existe pas de lien avec la notion de couleur du spectre lumineux hormis un parallèle avec la décomposition de la lumière visible chez l'humain en 3 composantes rouge-vert-bleu.

Un autre principe fondamental de la théorie est en effet qu’une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante blanche, c'est-à-dire que sa charge de couleur doit être nulle. Cela peut être obtenu en combinant trois quarks de couleurs différentes : bleu, vert et rouge. Le baryon résultant est ainsi de couleur blanche. De la même façon, en combinant un quark et un antiquark de couleurs opposées (par exemple, bleu et antibleu), nous obtenons un méson de couleur blanche.

Confinement

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 supplémentaire, et on obtiendra ainsi un méson (particule composée de 1 quark et 1 antiquark) en plus de notre 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.

Il est cependant possible d'obtenir des quarks et gluons quasi-libres en créant un plasma quark-gluon. En collisionnant des ions lourds à suffisamment haute énergie, les quarks et gluons qu'ils contiennent sont soumis à des conditions de température et de pression extrêmes permettant la création d'un état plasma, en partie analogue au plasma électrique. Les interactions entre particules sont alors masquées par l'effet d'écrantage de la charge de couleur, ce qui les rend pratiquement libres.

Dans le modèle standard

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 ${\bar {r}}$ pour la charge rouge, $v$ ou ${\bar {v}}$ pour la charge verte, $b$ ou ${\bar {b}}$ pour la charge bleue. Pour les mésons 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 :

r{\bar {r}}+v{\bar {v}}+b{\bar {b}}=0

.

Par ce fait, il n'est pas possible de distinguer les quarks ou antiquarks composant les mésons, 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).

Utilisations et variantes

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.

Notes et références

↑ M. Cardoso et al., Lattice QCD computation of the colour fields for the static hybrid quark-gluon-antiquark system, and microscopic study of the Casimir scaling, Phys. Rev. D 81, 034504 (2010)).