Qu’est-ce que la chromodynamique quantique ou QCD ?

La chromodynamique quantique est une théorie quantique des champs dont la fonction est l'étude de l'interaction nucléaire forte. La force nucléaire forte est chargée de maintenir les noyaux des atomes (neutrons et protons) étroitement liés, surmontant ainsi la force électromagnétique entre les protons.

Les neutrons et les protons sont constitués de quarks. Par exemple, les protons sont constitués de deux quarks up et d’un quark down et les neutrons sont constitués de deux quarks down et d’un quark up.

Selon la théorie quantique des champs, les forces fondamentales de l’univers sont une conséquence de l’échange de bosons entre particules. Dans le cas de l'interaction forte, ces bosons sont appelés gluons, mot qui vient de l'anglais « colle » qui signifie colle. Cet échange de gluons entre quarks permet aux neutrons et aux protons d'être étroitement liés dans le noyau de l'atome.

Le mot chromodynamique vient du grec chromos qui signifie couleur. Il doit son nom à une propriété conservée de ce type de champ quantique appelée charge de couleur. Comme nous le verrons dans les sections suivantes, la charge de couleur est la propriété quantique qui agit comme une colle pour maintenir les noyaux de l’atome bien confinés.

Si vous voulez en savoir plus sur le quantique, vous pouvez lire notre article complet sur la mécanique quantique .

Dans d'autres théories quantiques des champs, telles que l'électrodynamique quantique de Feynman, l'interaction électromagnétique perd de sa force à mesure que la distance entre deux électrons augmente. Autrement dit, plus deux électrons sont proches, plus la force répulsive entre eux est forte.

La même chose se produit avec la force gravitationnelle. Comment savons-nous, grâce à l'équation de gravitation universelle de Newton, que la force de gravité est inversement proportionnelle au carré de la distance. En conséquence, l’interaction gravitationnelle perd très rapidement de sa force avec la distance entre deux corps.

Dans une interaction forte, à la surprise générale, c'est le contraire qui se produit. Lorsque les quarks sont ensemble, la force nucléaire forte est très faible. Mais si on les sépare, cela grandit très vite. Pour faire une comparaison, c’est comme si les quarks étaient reliés entre eux par un élastique. S'ils sont très rapprochés, la force exercée par ledit caoutchouc est très faible, mais si vous les éloignez, le caoutchouc s'étire et exerce une force qui les fait se rapprocher.

Pourquoi ce phénomène se produit-il ?

Comme nous l’avons dit précédemment, les interactions fondamentales se produisent grâce à l’échange de bosons.

Dans l'interaction électromagnétique, ces bosons sont des photons, et il s'avère que les photons n'interagissent pas entre eux.

Mais dans le cas de l'interaction forte, ces bosons sont des gluons et les gluons peuvent interagir entre eux, ce qui confère à la chromodynamique quantique cette propriété de liberté asymptotique.

Les théories quantiques des champs décrivent les forces fondamentales et leurs symétries. On les appelle théories de jauge.

Grâce au théorème de Noether, nous savons qu'une symétrie dans une certaine grandeur physique équivaut à la conservation de cette grandeur. Par exemple, on sait que l’énergie se conserve, c’est parce qu’il existe une symétrie temporelle.

Nous savons également que la quantité de mouvement linéaire est une propriété conservée. La raison est qu’il existe une symétrie translationnelle.

Eh bien, la même chose se produit dans les théories de jauge. Si nous prenons la fonction qui décrit l'énergie du champ gluonique (énergie de l'interaction forte), c'est-à-dire son lagrangien, nous verrons qu'elle présente certaines symétries.

Cela signifie que si nous appliquons cette symétrie à l’énergie du champ quantique, cette énergie ne changera pas, c’est-à-dire qu’elle est invariante sous cette transformation de jauge.

Ces symétries sont associées à une grandeur conservée, qui n'est ni plus ni moins que la charge de couleur.

La charge de couleur associe chaque quark à une couleur différente. Par exemple, dans le cas des protons, nous avons deux quarks up et un quark down. Chaque quark d'un proton aura une couleur différente : vert, bleu et rouge. Si on mélange ces couleurs, on obtient du blanc.

La conservation de la charge de couleur nous dit qu'à tout moment, l'ensemble des trois couleurs doit donner du blanc.

Pour ceux d'entre vous qui aiment les mathématiques, l'ensemble de ces symétries de jauge du champ quantique gluonique forme un groupe de Lie de matrices unitaires spéciales, appelées SU(3).

Dans de nombreuses théories quantiques des champs, les séries perturbatives sont utilisées pour effectuer des calculs et des prédictions. Les méthodes perturbatives utilisent un problème simple à résoudre et, grâce aux perturbations, le résultat d'un problème plus complexe est obtenu.

Pour calculer les paramètres de la série, on utilise les fameux diagrammes de Feynman. En électrodynamique quantique, les calculs sont plus précis puisque le groupe de symétrie de jauge a la propriété d'être abélien (les éléments du groupe sont commutatifs sous l'opération de groupe). En revanche, le groupe SU(3) de la chromodynamique quantique n’est pas abélienne.

Pour les cas où les méthodes perturbatives échouent, d’autres alternatives ont été recherchées. Quelques exemples sont la formulation de la chromodynamique quantique sur le réseau ou l'utilisation de la correspondance Ads/CFT (Anti-de-Sitter Conformational Field Theory).

La propriété de masse est souvent associée au boson de Higgs. Il est vrai qu’une partie de la masse dépend de la façon dont une particule se couple au champ de Higgs. Par exemple, le quark top est le quark le plus massif car il se couple davantage au champ de Higgs.

Cependant, une grande partie de la masse des protons et des neutrons et donc de la masse de l’atome n’est pas due au boson de Higgs mais au champ gluonique.

Nous devons imaginer le noyau d’un atome sous forme de quarks et de nombreux gluons qui l’entourent. Cela forme comme une soupe de gluons interagissant entre eux et avec les quarks. C’est toute cette énergie du champ de gluons qui donne l’essentiel de la masse des noyaux et non le champ de Higgs.