Modèle standard des particules
Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte

Les bosons, en tant que particules élémentaires, représentent des quanta d'énergie-impulsion qui constituent des interactions élémentaires ou fondamentales.

• Les bosons de jauge (en anglais " gauge boson ") de spin $1$ agissent comme porteurs ou vecteurs d'une interaction élémentaire. Ce sont :

  • 

    les gluons, boson de jauge de l'interaction forte,
  • les photons, bosons de jauge de l'interaction électromagnétique,
  • les bosons W^± et Z⁰, bosons de jauge de l'interaction faible.
• Le boson de Higgs - boson scalaire de spin $0$ - donne une masse aux particules (le graviton est encore hypothétique).

Gluons

Les gluons (g) sont les bosons de jauge de l'interaction nucléaire forte qui assure la cohésion de la matière ordinaire.

Les gluons sont les vecteurs de :

1. la force de couleur, en confinant les quarks (ou confinement des couleurs) dans les hadrons (baryons comme les nucléons - neutron et proton - et mésons), agit à petite échelle, moins de 0,8 femtomètre (fm), environ le rayon d'un nucléon.

2. La force nucléaire (ou force forte résiduelle), force de liaison entre neutrons et protons utilisée pour la cohésion des noyaux atomiques, à plus grande échelle, 1 à 3 fm, indirectement par l'échange de mésons.

En mécanique quantique, le champ de gluons est un champ de quadrivecteurs caractérisant la propagation de gluons dans l'interaction forte. Le champ de gluons construit le tenseur de force de champ de gluon.

Il joue le même rôle que le quadrivecteur potentiel dans l'électrodynamique quantique.

Propriétés des gluons

1. Leur masse et leur charge électrique sont nulles : ce sont leurs propres antiparticules.

Pourtant, ils pourraient avoir une masse de quelques MeV.

2. Leur spin est égal à $1$.

3. Ils possèdent (cf. chromodynamique quantique) :

• une charge de couleur (rouge, vert et bleu) comme les quarks,
• une anti-charge de couleur (antirouge, antivert et antibleu), comme les antiquarks.

Un hadron doit toujours avoir une couleur blanche, soit un mélange des 3 quarks de couleur différente (baryons) ou un quark-antiquark dont la couleur et l'anticouleur s'annulent (méson).

Si on mélange couleurs et anticouleurs, on trouve 8 gluons, au lieu de 9 possibles, car, en mécanique quantique, le principe de superposition combine l'état des particules et sont équivalents aux matrices de Gell-Mann de trace nulle. Or, $r\bar r+v\bar v+b\bar b=0$, donc est neutre, et ne peut alors correspondre pas à un gluon.

Ces états sont indépendants (cf. explication).

• $(r\bar b+b\bar r)\sqrt 2\qquad$ $-i(r\bar b+b\bar r)\sqrt 2$
• $(r\bar g+g\bar r)\sqrt 2\qquad$ $-i(r\bar g+g\bar r)\sqrt 2$
• $(b\bar g+g\bar b)\sqrt 2\qquad$ $-i(b\bar g+g\bar b)\sqrt 2$
• $(r\bar r-b\bar b)\sqrt 2\qquad$ $(r\bar r+b\bar b-2g\bar g)\sqrt 6$

Échanges de gluons

1. Les gluons sont constamment échangés entre les quarks pour confiner les couleurs dans le cas de l'interaction forte (cf. changements de couleur).

La chromodynamique quantique suit la symétrie de jauge $SU(3)$, qu'on note souvent $SU_c(3)$.

2. Les gluons peuvent aussi interagir avec d'autres gluons par cette même interaction forte.

Les gluons sont aussi porteurs indirectement, par leur présence dans les mésons, et en particulier les pions, dans la force nucléaire, force de liaison entre neutrons et protons utilisée pour la cohésion des noyaux atomiques, à plus grande échelle, 1 à 3 fm.

Autres formes de gluons

On peut aussi décrire :

1. des boules de glue (" glueball en anglais ") qui serait composées uniquement de gluons, ce qui est possible grâce à la charge de couleur sensible à l'interaction forte (cf. article).

Elles sont soupçonnées, sans être identifiées spécifiquement (cf. candidats expérimentaux) et feraient intervenir la théorie des supercordes.

2. un plasma de quarks et de gluons (" quark-gluon plasma " - QGP en anglais -, appelé aussi quagma), état décrit par la chromodynamique quantique (QCD) pour des températures et/ou des densités extrêmement élevées.

• C'est une sorte de " soupe " de quarks et de gluons qui sont à peu près libres contrairement aux hadrons de la matière classique.
• Cet état est décrit dans l'ère des quarks, située 10^-13 s < t < 10^-6 s après le BigBang et semble-t-il aussi, dans des étoiles très denses.
• Le QGP se comporte comme un liquide plutôt que comme un gaz, et les études continuent dans le LHC (grand collisionner de hadrons ou Large Hadron Collider) par l'expérience ALICE (ALICE voit lorigine de l'univers dans une goutte de plasma).

Photon : boson de jauge de
l'interaction électromagnétique