Les baryons et les mésons sont des particules subatomiques complexes construites à partir d’objets plus élémentaires, les quarks. Six types de quark, ainsi que leurs antiquarks correspondants, sont nécessaires pour rendre compte de tous les hadrons connus. Les six variétés, ou « saveurs », de quark ont reçu les noms de haut, bas, charme, étrange, haut et bas. La signification de ces noms quelque peu inhabituels n’est pas importante ; ils sont apparus pour un certain nombre de raisons. Ce qui est important, c’est la façon dont les quarks contribuent à la matière à différents niveaux et les propriétés qu’ils portent.
Les quarks sont inhabituels en ce qu’ils portent des charges électriques dont l’amplitude est inférieure à e, la taille de la charge de l’électron (1,6 × 10-19 coulomb). Cela est nécessaire pour que les quarks se combinent entre eux afin de donner les charges électriques correctes des particules observées, généralement 0, +e ou -e. Seuls deux types de quark sont nécessaires pour construire les protons et les neutrons, les constituants des noyaux atomiques. Il s’agit du quark up, dont la charge est de +2/3e, et du quark down, dont la charge est de -1/3e. Le proton est constitué de deux quarks up et d’un quark down, ce qui lui confère une charge totale de +e. Le neutron, quant à lui, est constitué d’un quark up et de deux quarks down, ce qui lui confère une charge nette de zéro. Les autres propriétés des quarks up et down s’additionnent également pour donner les valeurs mesurées pour le proton et le neutron. Par exemple, les quarks ont un spin de 1/2. Pour former un proton ou un neutron, qui ont également un spin de 1/2, les quarks doivent s’aligner de telle sorte que deux des trois spins s’annulent, laissant une valeur nette de 1/2.
Les quarks up et down peuvent également se combiner pour former des particules autres que les protons et les neutrons. Par exemple, les spins des trois quarks peuvent être disposés de manière à ne pas s’annuler. Dans ce cas, ils forment des états de résonance de courte durée, auxquels on a donné le nom de delta ou Δ. Les deltas ont des spins de 3/2, et les quarks up et down se combinent dans quatre configurations possibles : uuu, uud, udd et ddd, où u et d signifient up et down. Les charges de ces états Δ sont respectivement +2e, +e, 0 et -e.
Les quarks up et down peuvent également se combiner avec leurs antiquarks pour former des mésons. Le méson pi-, ou pion, qui est le méson le plus léger et un composant important des rayons cosmiques, existe sous trois formes : avec la charge e (ou 1), avec la charge 0, et avec la charge -e (ou -1). Dans l’état positif, un quark up se combine avec un antiquark down ; un quark down associé à un antiquark up compose le pion négatif ; et le pion neutre est un mélange mécanique quantique de deux états -uu et dd, où la barre au-dessus de la lettre indique l’antiquark.
Up et down sont les variétés les plus légères de quarks. Un peu plus lourds sont une deuxième paire de quarks, charme (c) et étrange (s), avec des charges de +2/3e et -1/3e, respectivement. Une troisième paire de quarks, encore plus lourde, est constituée des quarks supérieurs (ou vérité, t) et inférieurs (ou beauté, b), dont les charges respectives sont de +2/3e et -1/3e. Ces quarks plus lourds et leurs antiquarks se combinent avec les quarks supérieurs et inférieurs et entre eux pour produire une série de hadrons, chacun d’entre eux étant plus lourd que le proton et le pion de base, qui représentent les variétés les plus légères de baryon et de méson, respectivement. Par exemple, la particule appelée lambda (Λ) est un baryon construit à partir de quarks u, d et s ; ainsi, elle est comme le neutron mais avec un quark d remplacé par un quark s.
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