SPIN DU PROTON

Le proton est composé de quarks, d'antiquarks et de gluons, et, à l'instar des autres particules fondamentales, il tourne sur lui-même comme une toupie : c'est le spin. Une série d'expériences a révélé que cette rotation intrinsèque ne provient pas simplement des trois quarks de valence qui lui donnent son identité.

1.  Quarks et gluons, particules élémentaires du noyau atomique

Tout atome se compose d'un noyau de charge positive autour duquel gravitent des électrons chargés négativement. On sait depuis les années 1930 que ce noyau est un assemblage de protons et de neutrons dont la cohésion est due à une interaction extraordinairement intense, l'interaction nucléaire forte. Des expériences effectuées à la fin des années 1960, au cours desquelles on faisait entrer en collision un électron de très haute énergie et un noyau, ont montré que les protons et les neutrons étaient en fait des particules composites formées de quarks, d'antiquarks et de gluons. On pense depuis lors avoir compris comment ces champs élémentaires interagissent selon les lois simples de la chromodynamique, une théorie quantique dont les prémisses peuvent se résumer ainsi :

– les quarks portent une charge, dite de couleur, pouvant prendre trois valeurs élémentaires (bleu, vert et rouge, par exemple) ; le terme de couleur a été choisi par analogie mathématique avec le caractère ternaire des teintes fondamentales ; mais la couleur dont il est ici question n'a bien sûr rien à voir avec la palette des peintres ;

– les antiquarks portent une anticouleur ;

– le transport de couleur par les gluons exprime l'interaction forte ; chaque gluon est ainsi porteur d'un couple couleur-anticouleur ;

– le proton (comme le neutron) est un ensemble « blanc », c'est-à-dire une superposition de quarks, d'antiquarks (de couleurs différentes) et de gluons, comme la lumière blanche dans un arc-en-ciel, qui se révèle être une superposition de couleurs différentes.

2.  Succès et limites de la chromodynamique

La chromodynamique quantique a […]