4. Taille du nucléon
• Distribution spatiale de la charge du proton
La valeur du moment magnétique du proton sous-entend l'existence d'une distribution spatiale de sa charge. Celle-ci a été mesurée, en diffusion d'électrons, par l'équipe de Robert Hofstadter à partir des années 1950 à l'université de Stanford en Californie.
Ces expériences consistent à bombarder une cible de protons avec un faisceau d'électrons dont l'énergie peut atteindre 1 GeV. L'électron, qui a une charge électrique ponctuelle, est une sonde parfaitement adaptée à l'exploration de la structure interne du nucléon. Le transfert important de quantité de mouvement (ΔP) des électrons aux protons de la cible permet de sonder des distances (Δx) très petites à l'intérieur du proton grâce au principe d'incertitude d'Heisenberg (ΔP.Δx ≥ h/2π). Les faisceaux d'électrons constituent donc des « supermicroscopes » électroniques permettant de discerner des détails d'autant plus fins que la quantité de mouvement des électrons est grande. La manière dont les électrons sont déviés dépend des détails de la répartition de la charge électrique à l'intérieur du proton. En étudiant les distributions angulaires des électrons ainsi diffusés élastiquement, Hofstadter décrit la forme moyenne du proton. Effectivement, la diffusion élastique équivaut à une pose photographique de durée infinie.
Le proton est alors vu comme une boule dans laquelle les charges électriques sont réparties de manière homogène, et qui est entourée d'une « peau », zone de décroissance très rapide de la charge. On mesure ainsi que la charge du proton est distribuée sur une région dont le rayon est de 0,8 fm. Cette dimension est bien supérieure à celle de l'électron dont le rayon est au moins mille fois plus petit.
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