Charge de Couleur et Confinement

Charge de couleur:

Les quarks et les gluons sont des particules chargées de couleur. De la même façon que les particules électriquement chargées interagissent en échangeant des photons, les particules chargées de couleur échangent des gluons par interaction forte. Au cours de cet échange, ces particules se collent ensemble (glue = colle en anglais).

La principale différence entre l'interaction forte et l'interaction électromagnétique réside dans le fait que les particules messagères de l'interaction forte (les gluons) portent eux-mêmes une charge de couleur. Les photons, quant à eux, n'ont pas de charge électrique.

Deux ou plusieurs quarks proches les uns des autres échangent rapidement des gluons, créant un champ de force de couleur très fort qui lie les quarks entre eux. Il y a trois charges de couleur, et trois charges d'anticouleur (couleur complémentaire). Les quarks changent constamment de charge de couleur car ils échangent des gluons avec d'autres quarks.

Chaque quark porte l'une des trois charges de couleur et chaque antiquark l'une des trois charges d'anticouleur (ou couleur complémentaire). Les gluons portent des charges doubles couleur-anticouleur (ils n'ont pas forcément besoin d'être de la même couleur, par exemple les gluons rouge/anti-bleu sont possibles). Alors qu'il y a 9 combinaisons possibles de paires couleur/anticouleur, une de ces combinaisons est éliminée pour cause de symétrie. Un gluon peut donc finalement porter une des huit combinaisons possibles de couleur/anti-couleur.

Confinement des quarks :

Les particules chargées de couleur ne peuvent exister individuellement. C'est pour cette raison que les quarks, qui portent une charge de couleur, sont confinés en groupe avec d'autres quarks pour former les particules appelées hadrons. Ces particules composites sont de couleur neutre.

Jusqu'au développement de la théorie des quarks (pour l'interaction forte) dans le Modèle Standard, les physiciens ne pouvaient expliquer pourquoi les quarks ne se combinaient qu'en baryons (particule contenant trois quarks), et en mésons (particule contenant un quark et un antiquark) et non, par exemple, en particules composées de quatre quarks. On comprend maintenant que ces deux combinaisons (baryons et mésons) sont les seules de couleur neutre. Des particules comme ud ou dd, qui ne peuvent être combinées en état de couleur neutre n'ont jamais été observées expérimentalement.

Comment fonctionne la charge de couleur ?

La charge de couleur est toujours conservée. Ainsi quand un quark émet ou absorbe un gluon, la couleur du quark change pour que la charge de couleur soit conservée. Par exemple, un quark rouge peut se transformer en quark bleu à condition d'émettre un gluon rouge/antibleu, afin que la couleur de base soit toujours rouge.

Les quarks émettent et absorbent des gluons très fréquemment à l'intérieur d'un hadron, il n'y a donc aucun moyen d'observer la couleur d'un quark seul. A l'intérieur d'un hadron, la couleur de deux quarks échangeant un gluon changera de manière à conserver l'état de couleur neutre du système lié.

Champ de force de couleur :

Les quarks, dans un hadron donné, s'échangent fréquemment des gluons. Pour cette raison, les physiciens parlent de champ de force de couleur qui consiste en gluons maintenant ensemble les quarks.

Si l'un des quarks d'un hadron donné est éjecté par ses voisins, le champ de force de couleur s'étire entre ce quark et ses voisins. Par ce phénomène, de plus en plus d'énergie s'ajoute au champ de force de couleur au fur et à mesure que les quarks sont poussés. A ce stade, le champ de force de couleur dépense moins d'énergie s'il se transforme en deux nouveaux quarks. L'énergie est ainsi conservée et convertie en masse des nouveaux quarks, et le champ de force de couleur peut retourner à un état non étiré.

Les quarks ne peuvent exister individuellement car ils doivent maintenir un champ de force de couleur avec les autres quarks.