Les fermions élémentaires

Les fermions (et anti-fermions) élémentaires, c'est-à-dire des particules qui, jusqu'à une échelle de 10 m n'ont aucune sous-structure, qui constituent la totalité de la matière dans l'Univers sont classées en deux catégories: les quarks et les leptons.

• Les quarks et anti-quarks sont des fermions de spin 1/2 et dont la charge est une fraction de la charge élémentaire de l'électron. Ils sont les constituants des hadrons, c'est-à-dire l'ensemble des particules sujettes à l'interaction forte. Les quarks portent une charge de couleur.
• Les leptonsrassemblent tous les fermions, chargés ou non, qui ne sont pas sujets à l'interaction forte.

Les quarks et les leptons sont groupés selon leur masse en trois familles ou générations (Tab. 2.1).

Tableau 2.1: Tableau récapitulatif des constituants élémentaires de la matière. Les valeurs indiquées pour la masse des quarks correspondent à la masse des quarks libres et sont des valeurs expérimentales approximatives.

leptons : spin = 1/2			quarks : spin = 1/2
saveur	Masse	charge	saveur	masse	charge électrique
	(GeV/c )	électrique		(GeV/c )	électrique
neutrino électronique	< 1 10	0	u up	0.003	2/3
électron	0.000511	-1	d down	0.006	-1/3
neutrino muonique	< 0.0002	0	s strange	1.3	2/3
muon	0.106	-1	c charmed	0.1	-1/3
neutrino tauique	< 0.02	0	t top	175	2/3
tau	1.7771	-1	b bottom	4.3	-1/3

Les quarks sont classés en six saveurs qui, par ordre de masse croissante, sont libellés : up, down, charmed, strange, bottom et top. Les nombres quantiques des quarks sont résumés dans le Tableau 2.2.

Tableau 2.2: Nombres quantiques des quarks et anti-quarks: b est le nombre baryonique, J, le spin, I l'isospin, la troisième composante de l'isospin, S l'étrangeté, C le charme, B la beauté, T la truth et Q/e la charge. Tous les quarks ont un nombre baryonique égale à 1/3 et les anti-quarks un nombre baryonique égal à -1/3, tous les quarks et anti-quarks ont un spin égal à 1/2.

saveur	b	J	I	I	S	C	B	T	Q/e
u	1/3	1/2	1/2	+1/2	0	0	0	0	+2/3
d	1/3	1/2	1/2	-1/2	0	0	0	0	-1/3
s	1/3	1/2	0	0	-1	0	0	0	-1/3
c	1/3	1/2	0	0	0	-1	0	0	+2/3
b	1/3	1/2	0	0	0	0	-1	0	-1/3
t	1/3	1/2	0	0	0	0	0	-1	+2/3
	-1/3	1/2	1/2	-1/2	0	0	0	0	-2/3
	-1/3	1/2	1/2	+1/2	0	0	0	0	+1/3
	-1/3	1/2	0	0	1	0	0	0	+1/3
	-1/3	1/2	0	0	0	1	0	0	-2/3
	-1/3	1/2	0	0	0	0	1	0	+1/3
	-1/3	1/2	0	0	0	0	0	1	-2/3

Chaque saveur de quark se présente sous trois couleurs libellées : rouge, bleu et vert. Les leptons sont également au nombre de six : l'électron, le neutrino électronique, le muon, le neutrino muonique, le tau et le neutrino tauique. La théorie relativiste de Dirac traitant les fermions attribue aux fermions et aux anti-fermions une parité opposée, positive, par convention, pour les quarks et négative pour les anti-quarks. La matière de l'Univers froid, tel qu'il existe actuellement, est exclusivement constitué des particules de la première famille, c'est-à-dire les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. Les quarks et leptons plus lourds ont existé lors de la création de l'Univers mais ont disparu très vite à cause de leur courte durée de vie. Ils peuvent cependant être recréés grâce aux accélérateurs, naturels ou construits par l'homme, qui permettent de concentrer des énergies égales au moins à l'énergie de masse des particules lourdes.

Les masses de quark sont des quantités mesurées et inclues dans le Modèle Standard comme autant de paramètres libres. Dans le cadre du Modèle Standard, la masse au repos des quarks libres résulte du mécanisme de Higgs qui confère une masse aux particules par interaction avec le champ scalaire généré par le boson de Higgs. Expérimentalement, elle se déduit des mesures de diffusion élastique de particules dont la longueur d'onde associée est petite par rapport à la taille du hadron diffuseur ; la particule diffuse ainsi sur les constituants élémentaires et voit la masse des particules libres. Les quarks étant confinés dans les hadrons, la notion de masse effective ou masse des quarks constituants a été introduite. Elle est déterminé en considérant que les quarks sont confinés dans les hadrons de taille finie, égale à environ 1 fm et à partir de la relation d'indétermination :  MeV. Expérimentalement, elle se déduit des mesures de diffusion élastique de particules dont la longueur d'onde associée est de l'ordre de la taille du hadron diffuseur ; la particule voit la masse du hadron dans son ensemble.

L'apparente symétrie entre familles de quarks et familles de leptons, si elle n'est pas fortuite, n'a pas d'explication dans le cadre du Modèle Standard. Une autre interrogation reste sans réponse dans le cadre du Modèle Standard, à savoir pourquoi les quarks n'existent pas dans la nature en tant que particules libres mais restent, au contraire, exclusivement confinés dans les hadrons, particules incolores, c'est-à-dire qui ne sont pas porteurs d'une charge de couleur. Le Modèle Standard a donc du inclure ad hoc le postulat que seuls des états singlets (état dont la charge de couleur est globalement nulle ; les quarks sont un état triplet de couleur puisqu'ils peuvent être porteur de l'une des trois charges de couleur et le gluon dans un état octet de couleur c'est-à-dire qu'il est porteur d'une charge de couleur et de l'anti-charge correspondante) de couleur pouvaient exister en tant que particules libres.