Le proton, cet inconnu

 

L’Homme, comme tous les êtres vivants et tous les objets inertes peuplant notre univers, est constitué de myriades de particules. L’une d’elles s’appelle le proton. Elle n’appartient pas à la classe des objets élémentaires puisqu’elle se constitue de trois quarks liés par des gluons.

Le proton, bien qu’il ait été découvert au début du vingtième siècle, n’a pas encore révélé tous les secrets de ses propriétés.

C’est la raison pour laquelle, au lieu de se concentrer sur les mésons, les neutrinos et le fameux boson de Higgs, certaines équipes ont préféré réinterroger nos connaissances fondamentales sur le proton. Et elles ont fait resurgir des problématiques dont on croyait qu’elles étaient résolues depuis longtemps.

Les sujets de préoccupation anciens.

Le rayon atomique, le spin, la stabilité et la masse de cette particule font l’objet de calculs et d’expériences dont les résultats doivent permettre la rédaction d’une fiche d’identité incontestable. Mais pourquoi toutes ces caractéristiques et les incertitudes qui les entourent ont-elles tant d’importance aux yeux des scientifiques ?

  1. Le rayon
  1. Au niveau des grands principes :

La connaissance du rayon d’une particule joue un rôle non négligeable dans les calculs d’interaction avec d’autres particules. Du coup, à tort ou à raison, l’existence d’un hiatus entre deux mesures expérimentales peut laisser croire à la présence d’une particule intermédiaire de très petite taille.

  1. La réalité :

Deux expériences différentes menées en 2019 ont livré la mesure 0,833 10-15 m, [01], [02] ; une donnée relativement éloignée de l’intervalle admis jusque-là [0,84 – 0,87].

  1. Le spin
  1. Au niveau des grands principes :

La logique habituelle part du principe que le tout (le proton) s’explique par ses parties (les quarks) et par l’action d’un certain nombre de lois (celles de la chromodynamique quantique) et d’interactions entre ces parties (les gluons).

  1. La réalité :

En 2014, l’avis le mieux accepté attribuait aux trois quarks constitutifs du proton environ 35% de son spin total ; d’où viennent les deux tiers manquants ?

  1. La stabilité
  1. Au niveau des grands principes :

Une désintégration spontanée du proton serait la preuve expérimentale de l’existence d’une période passée pendant laquelle les interactions fortes, faibles et électromagnétiques auraient été unifiées. Du moins, c’est ce que le modèle standard permet de penser.

  1. La réalité :

Pour l’heure, il n’y a aucune désintégration spontanée connue pour le proton [03].

  1. La masse
  1. Au niveau des grands principes :

Les théories actuelles, en particulier la chromodynamique quantique, devraient livrer les éléments indispensables à sa connaissance.

  1. La réalité :

Les trois quarks constituant un proton ne représentent que 9% de sa masse totale : « Où se cachent donc les 91% restants ? » Les théories actuelles, y compris la chromodynamique quantique, ont longtemps été incapables d’apporter une réponse rationnelle à cette question parce que personne ne savait très bien résoudre les équations qu’elles introduisent. Les développements récents de la chromodynamique quantique « sur réseaux » et des supercalculateurs parviennent désormais à éclairer un peu l’énigme : 32% de l’énergie serait liée aux mouvements des quarks au sein de l’enveloppe protonique, 36% aux énergies de liaison portées par les gluons et 23% aux interactions quantiques entre quarks et gluons [04].

© Thierry PERIAT, le 21 décembre 2020.

Voir aussi l'article sur l'expérience GBAR.

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Bibliographie :

[01] "A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius". Science. 365 (6457): 1007–1012.

[02] A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment. Nature. 575 (7781): 147–150.

[03] Search for Proton Decay via Proton+ → Positron pion0 and Proton+ → Muon+ pion0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters, vol. 102, no 14,‎ 2012, p. 141801 (DOI 10.1103/PhysRevLett.102.141801.

[04] Science News ; numéro commun du 22 décembre 2018 et du 05 janvier 2019, p. 8.

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Date de dernière mise à jour : 30/03/2021