PROTON

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Mise en évidence de la structure en quarks et confinement

La mise en évidence de l'existence des quarks au sein du proton date de la fin des années 1960. Elle a été réalisée par une collaboration menée par deux physiciens américains Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, et un physicien canadien Richard E. Taylor (Prix Nobel en 1990). L'accélérateur de Stanford, mis en service en 1967, permet d'obtenir des faisceaux d'électrons atteignant des énergies de 20 GeV. Ces hautes énergies ouvrent la voie à des expériences de diffusion très inélastique de ces électrons sur une cible de protons. Le temps très court (lié au grand transfert d'énergie) de la pénétration de l'électron à l'intérieur du proton, permet de voir, avec une résolution quasi instantanée, comment les charges électriques de ce dernier y sont distribuées. Le grand transfert d'énergie qui caractérise la violence du choc, crée des particules supplémentaires dans l'état final. L'expérience consiste à détecter, à l'aide d'un spectromètre magnétique, uniquement les électrons diffusés à différents angles par une cible d'hydrogène. Le résultat est surprenant : on observe à grand angle un nombre d'électrons diffusés « inélastiquement » beaucoup plus important qu'il ne le serait si le proton était homogène et de structure étendue. Comme dans l'expérience de Rutherford, ces collisions extrêmement violentes résultent de chocs frontaux entre l'électron ponctuel et des inclusions dures à l'intérieur du proton. L'existence de centres ponctuels chargés électriquement à l'intérieur du proton a ainsi été révélée, Richard Feynman les appelle partons, mais ils sont vite identifiés comme étant les quarks.

À ce jour, toutes les expériences ont montré que les quarks sont quasi libres à l'intérieur des hadrons, mais qu'ils y restent confinés, et demeurent inobservables à l'extérieur des hadrons. Pour comprendre ce fait, il faut avoir recours à une nouvelle théorie quantique, la chromodynamique. De même que les particules doivent être chargées électriquement pour interagir par l'interaction électromagnétique, les quarks portent une charge dite de couleur, pouvant prendre trois valeurs élémentaires (rouge, bleu, jaune par exemple). Le terme de couleur n'a rien à voir avec la palette des peintres, mais il a été choisi par analogie avec le caractère ternaire des teintes. Les antiquarks (antiparticules des quarks, et donc constituants principaux de l'antimatière) portent une anticouleur. L'interaction forte entre les quarks (ou antiquarks) croît en fonction de leur distance relative afin de les confiner à l'intérieur des hadrons. Elle résulte de l'échange incessant de gluons (particules médiatrices de l'interaction forte entre les quarks), de même que l'interaction électromagnétique résulte de l'échange de photons. Chaque gluon est porteur d'un couple couleur-anticouleur. On postule que les seuls objets observables sont « blancs », c'est-à-dire qu'ils sont une superposition de quarks, d'antiquarks et de gluons de couleurs différentes, comme la lumière blanche dans un prisme se révèle être la superposition de toutes les couleurs. Grâce au principe d'incertitude, les gluons peuvent, en un temps suffisamment bref, donner naissance à des paires quark-antiquark, qui aussitôt se recombinent en gluons. Ainsi aux trois quarks principaux du proton appelés quarks de valence (qui donnent au proton ses principales caractéristiques), s'ajoutent des paires quark-antiquark constamment renouvelées, appelées « mer ». Le proton est alors un ensemble complexe constitué de trois quarks de valence, d'une « mer » de paires quark-antiquark et de gluons.

L'interaction entre deux nucléons décrite par Yukawa est alors le reliquat des multiples interactions entre quarks et gluons. Les nucléons, chromodynamiquement neutres, sont liés dans un noyau, un peu comme les atomes électriquement neutres le sont dans une molécule par les forces de Van der Waals, qui sont les forces résiduelles de l'interaction électromagnétique.

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, physicienne au service de physique nucléaire au Commissariat à l'énergie atomique, Saclay

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Pour citer l’article

Nicole d' HOSE, « PROTON », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/proton/