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 Proton

Particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive. Les protons sont présents dans le noyau des atomes, éventuellement liés avec des neutrons par l'interaction forte (le noyau de l'isotope le plus répandu de l'hydrogène, H+, est un simple proton) ; le proton est également stable par lui-même, en dehors du noyau atomique. Le proton n'est pas une particule élémentaire, étant composé de trois autres particules : deux quarks up et un quark down. On évalue le nombre de protons de l'Univers à 10^80 environ [04/2013] (2^93 [10/2007]). 95 % de la masse du proton est constituée par l'énergie qui relie ses composants internes, les quarks et les gluons, selon la formule E = mc². Ces forces ont été calculées avec précision, malgré les multiples difficultés : le résultat valide la théorie des interactions fortes [01/2009]. L'utilisation d'hydrogène muonique (une version exotique de l'hydrogène dans laquelle les électrons sont remplacés par des muons 200 fois plus lourds) a permis aux chercheurs de mesurer l'énergie de liaison entre le proton et les muons, et d'en déduire le rayon du proton : 0,8148 femtomètres (au lieu des 0,877 femtomètres qui prévalaient jusque là). Cette valeur plus faible qu'escomptée fait vaciller l'une des clés de voûte de la physique fondamentale, l'"électrodynamique quantique" [08/2010]. Dans un proton, les gluons se transforment en d'autres gluons, qui peuvent à leur tour se désintégrer en paires de quarks-antiquarks, tout cela dans une mer de quarks [08/2015]. L'essentiel de la masse du proton n'est pas porté par les quarks qui le constituent, mais par les champs de gluons qui confinent ces quarks dans le proton. Le CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) du Jefferson Lab a permis de sonder la disposition des quarks au sein des hadrons : ils se répartissent en deux hémisphères en fonction de leur spin haut ou bas [04/2013]. Une expérience de l'institut Paul Scherrer (Suisse) attribue une taille de 0,84 fm au proton, valeur mesurée en remplaçant l'électron d'un atome d'hydrogène par un muon, de masse nettement plus importante. Lorsque l'on mesure cette même valeur avec le traditionnel électron, on obtient 0,88 fm ! Cette taille correspond en fait au rayon moyen de la distribution de charge sur le volume du proton [04/2013]. Une nouvelle expérience de l'Institut Paul Scherrer (Suisse) a cette fois-ci placé des muons autour de noyaux de deutérium (composés de 2 protons, et aussi appelés "deutérons") : le rayon du proton qui en ressort est une fois encore plus petit que celui mesuré avec les classiques électrons, prenant une fois de plus le modèle standard en défaut... [08/2016]. La pression au centre du proton est de 10^35 pascals et diminue rapidement en s'éloignant de ce centre : il s'agit de la plus forte pression connue dans l'Univers, 10 fois supérieure à celle du coeur des étoiles à neutrons [06/2018]. La pression exercée par les quarks et les gluons au sein d'un proton atteint 10^35 pascals, soit 10 fois celle régnant à l'intérieur d'une étoile à neutrons ! Les quarks et les gluons situés au centre du proton produisent une pression importante vers l'extérieur, tandis que près de la surface s'exerce une pression de confinement : ce sont ces pressions antagonistes qui expliquent la grande stabilité de la structure du proton [04/2019]. La taille du proton, réévaluée de 0,88 à 0,84 femtomètre grâce à des expériences en 2013, cause désormais un problème pour le modèle standard de la physique des particules, selon des travaux récents [12/2023].
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