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Physique des particules

Chromodynamique quantique (QCD)

La QCD décrit l'interaction forte entre quarks et gluons porteurs de charge de couleur ; le confinement et la liberté asymptotique en sont les propriétés centrales.

La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie de jauge de l'interaction forte. Les quarks portent une charge de couleur et interagissent par échange de gluons ; contrairement aux photons, les gluons portent eux-mêmes une couleur et interagissent entre eux.

LQCD=−14GμνaGaμν+∑fqˉf(iγμDμ−mf)qf\mathcal{L}_{\mathrm{QCD}}=-\frac14G^a_{\mu\nu}G^{a\mu\nu}+\sum_f\bar q_f(i\gamma^\mu D_\mu-m_f)q_f

Définition: Couleur et états neutres

Rouge, vert et bleu sont des noms conventionnels des trois états de couleur ; les antiquarks portent une anticouleur. Les hadrons observés sont des singulets de couleur : trois quarks forment un baryon et un quark avec un antiquark forment un méson. La couleur n'est pas optique.

Schéma de la conversion d'un photon gamma en paire électron-positon dans le champ d'un noyau ; les charges opposées se courbent en sens inverse dans un champ magnétique. Il s'agit d'un processus électromagnétique, pas d'un calcul QCD.

Confinement et liberté asymptotique

À grande séparation, l'interaction forte ne décroît pas comme une force de Coulomb : l'énergie du champ augmente avec la distance et aucun quark isolé n'est observé (confinement). À très haute énergie ou courte distance, le couplage effectif diminue et les quarks se comportent presque librement. Les collisions énergétiques produisent des gerbes puis l'hadronisation.

Exemple: Reconnaître un singulet

Pourquoi une combinaison de trois quarks, un de chaque couleur, peut-elle former un baryon neutre en couleur ?

Solution

Les trois états de couleur forment un singulet antisymétrique, neutre au total. La fonction d'onde complète doit aussi respecter les contraintes de symétrie du spin, de l'espace et de la saveur.

À haute échelle d'énergie, le couplage fort αs(Q)α_s(Q) diminue et la théorie des perturbations décrit bien les jets. Quand un quark s'éloigne et que l'échelle baisse, le couplage augmente et le champ de couleur crée d'autres paires quark-antiquark ; la gerbe s'hadronise en particules neutres en couleur. Un détecteur n'enregistre donc pas de quark isolé, mais des groupes collimatés appelés jets.

Il existe huit états de couleur indépendants pour les gluons, et non neuf, car la matrice unité singulet est exclue du groupe spécial SU(3)SU(3). Pour un nombre de saveurs actives assez faible, l'auto-interaction des gluons rend la fonction bêta de QCD négative et le couplage s'affaiblit à courte distance. La liberté asymptotique ne supprime pas le confinement à grande distance, qui exige des méthodes non perturbatives comme les simulations sur réseau.

Selon la QCD, quelle propriété explique surtout l’absence de quarks libres à basse énergie ?

À très courte distance (très haute énergie), comment se comporte le couplage fort effectif ?

Références

  1. David Griffiths (2020). Introduction to Elementary Particles