Modèle standard des particules
Chromodynamique quantique (QCD)

Hugh David Politzer, Frank Wilczek et David Gross reçurent le prix Nobel de physique en 2004 pour cette découverte effectuée en 1973.

La QCD fait intervenir la théorie quantique des champs, théorie de jauge non-abélienne.

Charges de couleur

Les deux groupes de particules élémentaires à porter une charge de couleur, qui n'est pas blanche, sont :

• les quarks,
• les gluons.

Les termes utilisés, " couleurs ", ne doivent pas être considérés littéralement (cf. perception des couleurs).

• La synthèse additive des couleurs montre que la combinaison des couleurs rouge, verte et bleue permet d'obtenir la couleur blanche.
• Cette couleur est considérée, dans la QCD, comme " neutre ", i.e. charge neutre combinat les trois charges de couleur.

Couleurs des quarks

Les six quarks possèdent un nombre quantique appelée charge de couleur et un quark peut être :

• rouge
• vert
• bleu

Les antiquarks ont une charge de couleur opposée :

• antirouge (cyan : bleu + vert),

• 

  antivert (magenta : bleu + rouge),
• antibleu (jaune : vert + rouge).

La symétrie qui intervient est une symétrie de jauge de couleur $SU(3)$, notée $SU_c(3)$.

Le nombre baryonique peut être relié aux charges de couleur, dans le sens qu'on ne peut observer que des particules blanches à nombre baryonique entier (confinement des couleurs ou des quarks).

• soit un baryon (ou un antibaryon) avec son triplet de quarks, chacun d'une des trois couleurs,
• soit un méson avec son quark d'une couleur et son antiquark avec son anticouleur.

En effet, l'interaction forte liant les quarks décroît avec la distance jusqu'à devenir nulle à la distance $0$, contrairement aux autres forces.

• On parle de liberté asymptotique.
• Les quarks peuvent donc se déplacer librement au sein des hadrons.

La variation de la constante de couplage de l'interaction forte ($\alpha_S) est donnée par :

• $\beta(\alpha_S)=-\dfrac{\alpha^2}{\pi}\left(\dfrac{11}{6}N_c-\dfrac{N_F}{3}\right)$,

• 

  où $N_c$, nombre de couleurs (3) et $N_F$, nombre de quarks (6), $\alpha_S=\dfrac{e^2}{4\pi}\approx0,118$, constante de structure fine (mesures de l’intensité de l’interaction forte au LEP) : on trouve souvent une valeur proche de 1.

Après une distance égale à environ la taille d'un hadron (≈ 10^-15 m=1 fm), la force devient constante (environ 10⁵ newtons), quelle que soit la distance entre les quarks.

• À des énergies très élevées, on peut alors créer des mésons, autres hadrons, de couleur blanche, constitués d'une paire de quarks/antiquarks, i.e avec un quark d'une couleur, et l'antiquark avec l'anticouleur.
• Ce confinement des quarks expliquent que dans les accélérateurs de particules, lors de collisions, on observe uniquement des jets hadroniques et pas des jets de quarks isolés ou des rayonnements.
• Toutefois, on peut créer des plasmas quark-gluon dans lequel ces particules sont quasiment libres à des températures et/ou des densités extrêmement élevées.

Couleurs des gluons

Les huit gluons possèdent :

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

Si on mélange couleurs et anticouleurs, on devrait en trouver neuf (cf. explication).

Changements de couleur

1. Les gluons sont constamment échangés entre les quarks pour confiner les couleurs dans les hadrons (baryons et mésons).

Soit, par exemple, un gluon bleu-antirouge :

• Si un quark bleu émet un gluon bleu-antirouge, il devient rouge, i.e. de la couleur de l'anticouleur du gluon,
• Le quark rouge qui absorbe ce même gluon devient bleu, i.e. de la couleur du gluon.

Dans la figure la charge de couleur est au centre, la charge d'anticouleurs à l'extérieur.

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

• Par exemple, un gluon bleu-antirouge peut absorber un gluon vert-antibleu pour se transformer en gluon vert-antirouge.
• C'est une particularité de cette interaction, car dans les autres, cet effet est négligeable (W⁺ et W^- dans l'interaction faible par exemple).