Le rôle des gluons.

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Nous savons que dans un proton il y a trois quarks : deux up et un down, et dans le neutron, il y a également trois quarks : deux down et un up.

Or par le principe d’exclusion de Pauli, il ne peut pas y avoir deux particules identiques dans un même ensemble. Or, étant donné que dans le proton il y a deux up et que dans le neutron il y a deux down; les physiciens ont du attribué une nouvelle caractéristique aux quarks : la couleur. La couleur dont il est question n'a rien en commun avec la couleur que nous connaissons dans la vie courante, c’est une notion théorique qui permet de distinguer les quarks.

Il existe 3 couleurs (par exemple le rouge, vert et bleu) et trois anticouleurs (selon l’exemple choisi : l’anti-rouge (cyan), l’anti-vert (magenta) et l’anti-bleu (jaune)). La chromodynamique quantique est la partie de la physique qui ne s’occupe que des gluons et des couleurs.

Chaque quark possède une couleur (l’antiquark possède une anticouleur) qui peut en permanence changer (et qui change en permanence), mais la particule à laquelle appartient le quark doit être incolore (pour un proton ou un neutron qui est composé de trois quarks : rouge + vert + bleu = blanc ; pour un meson qui est composé d’un quark et un anti-quark : rouge + anti-rouge = blanc).

                      Un meson                                                                  Un baryon

Un méson globalement incolore                                     Un baryon globalement
est composé d’un quark et un                                       incolore est composé de trois
 anti-quark.                                                                  quarks colorés.

Lorsque deux quarks interagissent par interaction forte, ils échangent leur couleur : un quark bleu qui a interagi avec un quark rouge devient rouge alors que l'autre devient bleu. Cet échange de couleur est réalisé par l'échange d'un gluon, particule vecteur de l'interaction forte. Le gluon échangé porte toujours une couleur et une anti-couleur.

Envisageons l’échange d’un gluon :

Lorsqu’un quark rouge interagit avec un quark bleu, ils échangent de la couleur par l’intermédiaire d’un gluon, celui-ci va annuler la couleur rouge du premier quark en lui donnant un antirouge et lui donne du bleu. Ce gluon possède la combinaison bleu-antirouge.

Ceci est un modèle que nous proposons sur l'échange de gluons entre deux quarks. En réalité, il existe 8 gluons dans le modèle standard. On parle d’« octet de couleur ». Et c’est grâce à leur couleur que l’on peut distinguer deux gluons l'un de l'autre. On pourrait imaginer que le gluon est un caméléon qui s’adapte à la couleur du quark sur lequel il se pose. Le gluon a une masse nulle et se déplace à la vitesse de la lumière. La nullité de sa masse permet théoriquement des interactions fortes à une distance infinie mais le phénomène du confinement des quarks dans les hadrons rend les effets de l'interaction forte confinés à l'intérieur des noyaux atomiques. De plus, les aller-retour incessants des gluons entre les quarks créent un lien très intense qui les force à cohabiter.

Le nom du gluon vient de l'intensité de l'interaction forte : les gluons « collent » les quarks entre eux. Mais étant donné que le gluon est porteur lui aussi de couleur, il peut non seulement interagir avec les quarks, mais aussi avec d’autres gluons (« gluon » = qui peuvent se coller). C'est cette propriété qui est à l'origine de la liberté asymptotique.  

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