Un quark est une minuscule particule théorique qui compose les protons et les neutrons du noyau atomique. Avec les gluons, les quarks constituent également des hadrons plus exotiques tels que les mésons, qui ne sont pas stables. On l’appelle théorique car tout en supposant que son existence permet une meilleure théorie de la physique, elle n’a jamais été observée directement.
Avec les leptons – les électrons, les muons, le tau et leurs neutrinos et antiparticules associés – les quarks constituent toute la matière visible dans l’univers. Ce sont les seules particules fondamentales qui interagissent les unes avec les autres à travers les quatre forces fondamentales : force nucléaire forte, force nucléaire faible, force électromagnétique et gravité. Une propriété fondamentale de ces particules est le confinement — tous les quarks constituent des hadrons et ne sont nécessairement jamais indépendants. Les descriptions de leurs propriétés physiques ont émergé de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie de la force nucléaire forte qui maintient le noyau atomique ensemble.
Comme toutes les autres particules subatomiques, les quarks peuvent être décrits de manière exhaustive par trois nombres quantiques : le spin J, la parité P et la masse m. Parce qu’elles ne sont jamais isolées, ces propriétés doivent être déduites en observant les particules plus grosses qu’elles constituent. Il existe six types connus : haut, bas, charme, étrange, haut et bas. Ces noms sont purement arbitraires et ne suggèrent rien sur les propriétés de chaque quark.
La matière normale qui constitue la majorité de l’univers est constituée de quarks up et down, qui sont les particules les plus légères. Un proton est composé de deux quarks up et d’un quark down, tandis qu’un neutron est composé de deux quarks down et d’un quark up.
Les quarks ont des masses variables, qui sont mesurées en GeV (giga électron-volt) par rapport à la vitesse de la lumière au carré. Les particules subatomiques sont mesurées en termes d’énergie qu’elles produisent plutôt que de masse en grammes. Le quark down est environ deux fois plus massif que le up. L’étrange est environ 20 fois plus massif que le quark down. Le quark charm est environ 10 fois plus massif que cela, suivi par le quark bottom, qui est environ trois fois plus massif que le précédent, et enfin le quark top, qui est le plus massif de tous. L’augmentation de la masse tend à correspondre à la rareté de la particule et nécessite des conditions physiques plus exotiques pour sa manifestation.
Les physiciens sont à la recherche de la matière théorisée des quarks, un réseau hypothétique composé de quarks continus reliés par des gluons. On ne sait pas encore si ce type de matière est physiquement possible. Si tel était le cas, il se trouverait probablement dans le noyau d’étoiles extrêmement compactes qui ne se sont pas encore effondrées en un trou noir.