Pouvez-vous m’expliquer qu’est-ce qu’un "quark" ?

Comme vous le savez sans doute, la matière ordinaire (sur Terre, les autres planètes, l’espace interstellaire) est constituée de grains très petits, invisibles à l’oeil, appelés atomes."Atome" est un mot d’origine grecque, car les premiers a avoir formulé l’idée d’atome sont les penseurs grecs Démocrite et Leucippe (V^e siècle avant J.-C.). Atome signifie "qui ne peut pas être coupé". En effet, ces penseurs croyaient que les atomes étaient les constituants ultimes de la matière, et qu’il n’y avait rien de plus petit. Mais on sait depuis un peu plus d’un siècle qu’en fait ces atomes ne sont pas insécables, ils contiennent eux-mêmes des "grains" de matière encore plus petits : un noyau au centre, et des électrons formant une sorte de nuage. Ce noyau et ces électrons sont minusucles : un atome contient donc surtout du vide !

Venons-en au noyau. Il contient lui même des grains toujours plus petits : les protons et les neutrons. Les protons possèdent une charge électrique positive, les neutrons sont neutres électriquement, comme leur nom l’indique. Mais ce n’est pas fini : si on continue de zoomer sur ces grains, on trouve dedans d’autres grains encore plus petits : ce sont les fameux quarks, objets de votre question.

Jusqu’à présent, on pense que les quarks sont des particules dites élémentaires, c’est-à-dire qui ne peuvent pas être coupés en "grains plus petits".

Il existe 6 sortes de quarks : ils portent les noms anglais "up", "down", "top", "beauty", "strange" et "charmed". Les quarks possèdent trois caractéristiques : la charge électrique (qui est fractionnaire : 1/3 ou 2/3 de la charge d’un proton, ex. +2/3 pour "up" et -1/3 pour "down"), la "charge faible" ou "saveur" (rien à voir avec la saveur de la nourriture !) qui est responsable de l’interaction faible (une des 4 forces fondamentales de l’univers), et la "couleur" (mais rien à voir avec la couleur au sens ordinaire), qui est responsable de l’interaction forte (une autre des 4 forces fondamentales, voir plus loin).

Par ailleurs, il existe des quarks d’antimatière appelés "anti-quarks".

Ce qui est important, c’est qu’on ne peut jamais "isoler" un quark. Les quarks sont toujours liés :

 soit par trois, par exemple pour former un proton (deux quarks "up" et un quark "down") ou un neutron (deux quarks "down" et un quark "up".). (par addition des charges des quarks, on vérifie que la charge électrique du proton est bien égale à 1, et celle du neutron à 0).

 soit avec un anti-quark, par exemple pour former une particule appelée "méson".

Les quarks se lient ainsi pour former 350 particules différentes, qu’on rencontre dans les rayons cosmiques ou lors des collisions à haute énergie dans les accélérateurs de particules, comme au CERN.

Toutes les particules formées de quarks ou d’anti-quarks appartiennent à la famille des hadrons : protons, neutrons, mésons...

La liaison, le "ciment" entre les quarks s’appelle l’interaction forte, ou force nucléaire forte.

C’est une force très particulière : tant que les quarks ne s’éloignent pas trop les uns des autres, cette force se manifeste peu. Dès que la distance devient trop grande, la force les "rappelle à l’ordre", pour les empêcher de se séparer. Tout se passe comme si les 3 quarks dans un hadron étaient comme trois boules dans un sac : elles peuvent bouger librement à l’intérieur du sac, mais pas en sortir.

La force nucléaire forte s’exerce aussi entre tous les hadrons. Par exemple, deux protons sont "tenus" ensemble par cette force, ou un proton et un neutron. C’est donc elle qui assure que les protons et les neutrons des noyaux restent groupés (cohésion des noyaux). Elle n’existe qu’à l’échelle des noyaux atomiques (< 10^-15 mètres, soit un millionième de nanomètre).