en savoir plus sur les mésons
Les particules formées en associant deux cartes suivant la règle précédente sont appelées les « mésons ». Lors de collisions entre particules à haute énergie dans les accélérateurs ou bien lorsqu’un rayon cosmique pénètre dans l’atmosphère terrestre, 90% des particules chargées produites sont des mésons que l’on peut observer dans les expériences de physique.
Ils contiennent un quark (carte colorée) et un antiquark (carte anticolorée). Ces deux constituants élémentaires sont maintenus ensemble (ou liés) par l’interaction forte. Cette force est responsable, entre autres, de la cohésion des noyaux atomiques.
Pour décrire cette interaction, les physiciens ont introduit la notion de « couleur »: les objets sensibles à l’interaction forte doivent avoir une couleur choisie parmi trois valeurs : bleue, verte et rouge (cette notion n’a rien à voir avec la couleur des objets qui nous entourent). Les particules responsables de l’interaction forte entre le quark et l’antiquark sont les gluons, que l’on trouve sur d’autres cartes du « Quark Poker ». Les mésons observés dans les accélérateurs de particules correspondent en fait à l’appariement d’un quark et d’un antiquark de couleur/anticouleur associées (rouge/antirouge, bleue/antibleue, verte/antiverte).
Les mésons les plus légers, les pions, ont été découverts en 1947 en étudiant les rayons cosmiques. Ils associent un quark et un antiquark des familles Plume et Méplu. Si les mésons sont stables vis-à-vis de l’interaction forte ils sont par contre instables sous l’effet des interactions faible ou électromagnétique. Ils vont donc se désintégrer en des particules plus légères (soit d’autres mésons, soit des leptons comme l’électron et le neutrino).
Ainsi, au repos, un pion chargé (combinaison up-antidown ou down-antiup) se désintègre en moyenne en 26 nanosecondes (milliardième de seconde) par interaction faible et le pion neutre (combinaison up-antiup ou down-antidown) se désintègre en 10-16s par interaction électromagnétique. La durée de vie de chaque particule élémentaire est indiquée, en bas à gauche, sur la carte correspondante.
Un pion ayant une impulsion de 1 GeV a en moyenne un parcours de 55 m avant de ce désintégrer. Ce parcours est de quelques mètres si l’impulsion est dix fois plus faible. Une telle différence vient de l’effet de la relativité restreinte. Ces caractéristiques font qu’il est possible de mesurer précisément les trajectoires des pions dans les appareillages.
Dans la Nature, seuls le proton, l’électron et certains noyaux atomiques sont stables (expérimentalement, on a mesuré que la durée de vie du proton est supérieure à 1031 années soit 1021 fois celle de l’Univers).
Collision entre deux protons accélérés à une énergie de 3,5 TeV chacun par le LHC et enregistrée par l’expérience CMS. Les particules chargées correspondent aux trajectoires orangées qui sont courbées par le champ magnétique régnant dans la zone expérimentale. La plupart de ces particules sont des mésons ; des pions pour l’essentiel.
Si un méson contient un quark lourd, plus la masse de ces derniers est élevée et plus le méson se désintègre rapidement sous l’effet de l’interaction faible. Le quark « top », dont la masse est similaire à celle d’un noyau atomique d’or, a ainsi une durée de vie si courte qu’il disparaît avant même d’avoir eu le temps de s’associer avec un antiquark pour former un méson. C’est pourquoi nous proposons une variante du « Memory meson » dans laquelle il n’est pas possible de créer de méson avec un quark ou un antiquark top puisque de tels mésons n’existent pas dans la Nature.