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7.3. Chromodynamique quantique
est toujours positif et la constante de couplage diminue quand l' énergie augmente. Il
en résulte une phénoménologie particulière de 1' interaction forte. L' énergie typique
à partir de laquelle la théorie n' est plus perturbative est de l' ordre de 200 MeV (voir
exercice 7.3). Cette échelle d'énergie correspond à la taille du proton (""' 1 fm).
7.3.2 Phénoménologie à basse énergie
À basse énergie, la constante de couplage devient grande (œs ,.., 1) et l'approche
perturbative n'est plus pertinente (en particulier l' équation (6.53) n' est plus valide).
L'intensité de l' interaction forte diverge à faible énergie. En conséquence, une charge
colorée ne peut exister seule : une telle charge apparaîtrait infinie à longue distance.
Seuls des états globalement neutres peuvent exister à basse énergie : ce sont les
hadrons, composés soit de troi s quarks de couleurs différentes (baryons), soit d'un
quark et d' un antiquark de même couleur/anticouleur (mésons). C'est le phénomène
de confinement. De ce fait, la masse d'un quark, qui caractérise sa propagation libre,
n' est pas mesurable car un quark n'est jamais libre. Ce confinement est également
responsable de la courte portée effective des interactions fortes, bien que les gluons
soient des particules de masse nulle, comme le photon.
En conséquence de la divergence du couplage fort, il est impossible de produire expérimentalement des quarks libres dans des collisions de particules. À basse énergie,
en régime non perturba tif, une particule colorée peut céder une partie de son énergie
cinétique pour rendre réelles des paires quark-antiquark virtuelles dans les fluctuations quantiques du vide pour produire un ou plusieurs hadrons : c'est le processus
d' hadronisation. À plus haute énergie, un quark ou un gluon de grande impulsion va
d'abord rayonner des gluons dans sa direction de propagation, qui vont se matérialiser en paires quark-antiquark qui vont eux-mêmes rayonner des gluons. Ce processus,
dit de showering, peut se décrire perturbativement. Au fur et à mesure que l'énergie
des particules créées diminue, on sort du régime perturbatif et les particules colorées
s' hadronisent. Les partons (quark ou gluon) vont s'habiller pour former des états hadroniques excités et très instables dont les désintégrations successives donnent naissance à une grande mutiplicité de hadrons qui se partagent la quadri-impulsion du
parton inital. Expérimentalement, on peut détecter une collection de particules issues du showering et de l' hadronisation du quark ou du gluon initial allant toutes
approximativement dans la même direction, formant un jet hadronique. Les étapes
de la formation d'un jet sont illustrées sur la figure 7.4. Un jet est la signature expérimentale de la production d'un quark ou d' un gluon de haute énergie. En particulier,
c'est l'observation d' événements à trois jets dans des collisions e+ e- qui a permis de
mettre en évidence l'existence du gluon (e+ e- ~ qqg, le gluon étant rayonné par l'un
des quarks). L' hadronisation est un processus non perturbatif et il est impossible de
calculer analytiquement l'évolution d'un parton à partir du lagrangien QCD.
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7.3. Chromodynamique quantique
est toujours positif et la constante de couplage diminue quand l' énergie augmente. Il
en résulte une phénoménologie particulière de 1' interaction forte. L' énergie typique
à partir de laquelle la théorie n' est plus perturbative est de l' ordre de 200 MeV (voir
exercice 7.3). Cette échelle d'énergie correspond à la taille du proton (""' 1 fm).
7.3.2 Phénoménologie à basse énergie
À basse énergie, la constante de couplage devient grande (œs ,.., 1) et l'approche
perturbative n'est plus pertinente (en particulier l' équation (6.53) n' est plus valide).
L'intensité de l' interaction forte diverge à faible énergie. En conséquence, une charge
colorée ne peut exister seule : une telle charge apparaîtrait infinie à longue distance.
Seuls des états globalement neutres peuvent exister à basse énergie : ce sont les
hadrons, composés soit de troi s quarks de couleurs différentes (baryons), soit d'un
quark et d' un antiquark de même couleur/anticouleur (mésons). C'est le phénomène
de confinement. De ce fait, la masse d'un quark, qui caractérise sa propagation libre,
n' est pas mesurable car un quark n'est jamais libre. Ce confinement est également
responsable de la courte portée effective des interactions fortes, bien que les gluons
soient des particules de masse nulle, comme le photon.
En conséquence de la divergence du couplage fort, il est impossible de produire expérimentalement des quarks libres dans des collisions de particules. À basse énergie,
en régime non perturba tif, une particule colorée peut céder une partie de son énergie
cinétique pour rendre réelles des paires quark-antiquark virtuelles dans les fluctuations quantiques du vide pour produire un ou plusieurs hadrons : c'est le processus
d' hadronisation. À plus haute énergie, un quark ou un gluon de grande impulsion va
d'abord rayonner des gluons dans sa direction de propagation, qui vont se matérialiser en paires quark-antiquark qui vont eux-mêmes rayonner des gluons. Ce processus,
dit de showering, peut se décrire perturbativement. Au fur et à mesure que l'énergie
des particules créées diminue, on sort du régime perturbatif et les particules colorées
s' hadronisent. Les partons (quark ou gluon) vont s'habiller pour former des états hadroniques excités et très instables dont les désintégrations successives donnent naissance à une grande mutiplicité de hadrons qui se partagent la quadri-impulsion du
parton inital. Expérimentalement, on peut détecter une collection de particules issues du showering et de l' hadronisation du quark ou du gluon initial allant toutes
approximativement dans la même direction, formant un jet hadronique. Les étapes
de la formation d'un jet sont illustrées sur la figure 7.4. Un jet est la signature expérimentale de la production d'un quark ou d' un gluon de haute énergie. En particulier,
c'est l'observation d' événements à trois jets dans des collisions e+ e- qui a permis de
mettre en évidence l'existence du gluon (e+ e- ~ qqg, le gluon étant rayonné par l'un
des quarks). L' hadronisation est un processus non perturbatif et il est impossible de
calculer analytiquement l'évolution d'un parton à partir du lagrangien QCD.
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