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Chapitre 7 • Le zoo des hadrons
Ce nouveau hadron cë porte le nom de J/tjt. Samuel Ting et Burton Richter obtinrent
le prix Nobel en 1976 pour cette découverte. De la même manière, le quark b fut identifié en 1977, via la production d'un état lié bb de masse 9460 GeV, découverte qui
rapporta le prix Nobel à Leon Lederman en 1981. Contrairement aux hadrons plus
légers, la masse de ces hadrons lourds est dominée par la masse des quarks et non par
1 'énergie de liaison. On peut en déduire un ordre de grandeur pour les masses :
me:=::: l, 5 GeV,
mb::::: 4, 7 Ge V,
(7.23)
De multiples mésons (D 0 = uë, v- = dë, B 0 = db, B+ = ub ... ) et baryons
(A~ = udc, A~ = udb .. . ) contenant un ou plusieurs quarks lourds ont également
été observés.
Le sixième et dernier quark, le top, est sensiblement plus massif que les cinq autres.
Il n'a été découvert qu'en 1994 et sa masse vaut: m, = 173, 5 ± 1 GeV. La désintégration du quark top, comme pour tous les autres quarks se fait par interaction faible,
t ~ w+ b, avec la différence notable que m, > mw + mb. C'est le seul quark dont la
désintégration est cinématiquement favorisée car la boson W est réel. De ce fait, la
durée de vie du top est extrêmement courte, de l'ordre de 1025 s. Il n'a pas le temps
de former d'états liés avant de se désintégrer et il n'existe aucun hadron contenant un
quark top.
7.3 CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE
7.3.1 Charge de couleur et constante de couplage fort
Le décuplet de baryons pose un nouveau problème : les trois hadrons ~ - = ddd,
~ ++ = uuu et n- = sss sont composés d'un unique type de quark. De plus, ce sont
des particules de spin J = ~ qui peuvent se trouver dans l'état de polarisation h = ~.
Ceci n'est possible que si les trois quarks, de spin J = ~, sont tous dans l'état de
polarisation h = ~. On a alors trois fermions qui ont tous exactement les mêmes
nombres quantiques, ce qui est rigoureusement interdit par le principe d'exclusion
de Pauli. Il doit alors exister un nombre quantique supplémentaire qui différencie ces
trois quarks : c'est la charge de couleur, qui est différente pour chacun des trois objets.
Par convention ces trois charges sont nommées rouge (r), verte (v) et bleue (b). C'est
la charge de couleur qui est la véritable charge de l'interaction forte.
La théorie de jauge de l'interaction forte, basée sur le groupe S U(3), introduit dans
le modèle une constante de couplage aux fermions colorés. Cette constante de cou2
plage, 9s ou Œs = !~,a été précisément mesurée à la masse du Z: œs(mz) ~ 0, 118.
En chromodynamique quantique, le facteur f3 qui contrôle l'évolution de la constante
de couplage avec l'énergie (voir équation (6.53)) vaut f3 = -~Nt+ 11 où Nf est le
nombre de quarks de masse inférieure à l'échelle d'énergie considérée. Ce facteur
110
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Chapitre 7 • Le zoo des hadrons
Ce nouveau hadron cë porte le nom de J/tjt. Samuel Ting et Burton Richter obtinrent
le prix Nobel en 1976 pour cette découverte. De la même manière, le quark b fut identifié en 1977, via la production d'un état lié bb de masse 9460 GeV, découverte qui
rapporta le prix Nobel à Leon Lederman en 1981. Contrairement aux hadrons plus
légers, la masse de ces hadrons lourds est dominée par la masse des quarks et non par
1 'énergie de liaison. On peut en déduire un ordre de grandeur pour les masses :
me:=::: l, 5 GeV,
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(7.23)
De multiples mésons (D 0 = uë, v- = dë, B 0 = db, B+ = ub ... ) et baryons
(A~ = udc, A~ = udb .. . ) contenant un ou plusieurs quarks lourds ont également
été observés.
Le sixième et dernier quark, le top, est sensiblement plus massif que les cinq autres.
Il n'a été découvert qu'en 1994 et sa masse vaut: m, = 173, 5 ± 1 GeV. La désintégration du quark top, comme pour tous les autres quarks se fait par interaction faible,
t ~ w+ b, avec la différence notable que m, > mw + mb. C'est le seul quark dont la
désintégration est cinématiquement favorisée car la boson W est réel. De ce fait, la
durée de vie du top est extrêmement courte, de l'ordre de 1025 s. Il n'a pas le temps
de former d'états liés avant de se désintégrer et il n'existe aucun hadron contenant un
quark top.
7.3 CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE
7.3.1 Charge de couleur et constante de couplage fort
Le décuplet de baryons pose un nouveau problème : les trois hadrons ~ - = ddd,
~ ++ = uuu et n- = sss sont composés d'un unique type de quark. De plus, ce sont
des particules de spin J = ~ qui peuvent se trouver dans l'état de polarisation h = ~.
Ceci n'est possible que si les trois quarks, de spin J = ~, sont tous dans l'état de
polarisation h = ~. On a alors trois fermions qui ont tous exactement les mêmes
nombres quantiques, ce qui est rigoureusement interdit par le principe d'exclusion
de Pauli. Il doit alors exister un nombre quantique supplémentaire qui différencie ces
trois quarks : c'est la charge de couleur, qui est différente pour chacun des trois objets.
Par convention ces trois charges sont nommées rouge (r), verte (v) et bleue (b). C'est
la charge de couleur qui est la véritable charge de l'interaction forte.
La théorie de jauge de l'interaction forte, basée sur le groupe S U(3), introduit dans
le modèle une constante de couplage aux fermions colorés. Cette constante de cou2
plage, 9s ou Œs = !~,a été précisément mesurée à la masse du Z: œs(mz) ~ 0, 118.
En chromodynamique quantique, le facteur f3 qui contrôle l'évolution de la constante
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nombre de quarks de masse inférieure à l'échelle d'énergie considérée. Ce facteur
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