LE POUVOIR DE L 'IMAGINAIRE (314) : Les énigmes nouvelles du proton

 C’est avec un plaisir intense que je reprends le chemin de mes rubriques pédagogiques  sur « LE  POUVOIR DE L’IMAGINAIRE » ! Cependant je ne me fais aucune illusion : ces articles seront conçus pour vous expliquer quelques points particuliers de la physique nucléaire  et j’ignore quel niveau de lecteurs ils concerneront !

Vous avez pu voir passer il y a peu  le commentaire d’un de mes lecteurs  DOMINIQUE MAREAU  sur la structure composite du proton et ma réponse fut : j’étais au courant ! il s’agissait de commenter l’article paru dans  POUR LA SCIENCE  mai 2014  et qui met (semble-t-il) les pieds dans le plat !

 Voir ma photo  avec ce commentaire du magazine Lcopier-coller) «  Quel volume la charge électrique du proton occupe-t-elle ? Deux expériences récentes, fondées sur des méthodes distinctes, ont livré des valeurs précises... mais incompatibles ! Le prélude à de futures découvertes fondamentales ? Dans ce numéro, les auteurs de ces expériences expliquent comment elles ont été réalisées, leurs résultats et leurs enjeux. »

 Les auteurs  ( JAN BERNAUER/RANDOLF POHL )font le tour des manips  réalisées  dans divers endroits sérieux  , comparées à celles utilisant la diffusion  des muons  (  c’est un lepton de meme charge que l’électron mais de masse plus forte( :Masse=105,66 MeV.c-2) et de durée de vie bien plus courte( 2,2 μs / ~10^(-6) s)

  Cet article et le commentaire de mon lecteur (« Cela va dans le sens du paradigme "quarks induits" et non constitutifs, que je défends corps et âme »  )  m’ont poussé à faire  le point  sur les » inconnues du  proton » .Je vous en présente un  résumé .

 1 : UN PROTON… QU’ EST-CE QUE C’EST ENCORE  AUSSI….  AUJOURDHUI?

C’est le noyau d’un atome d’hydrogène  qu’on a débarrassé de son électron ; c’est la particule la plus stable de l’univers et sa durée de vie est estimée supérieure  à 10 puissance 30 années .Ceci  n’ empêche pas qu’ ils se cassent  en accélérateurs de particules  ou dans des situations énergétiques  très  excitées ( plasmas)que  je ne traiterai pas .

2 :MAIS EN QUOI SE CASSENT ILS ?

 Il me faut rappeler la structure du proton suivant le  MODELE STANDARD DES PARTICULES  : un mix de  2 quarks up ( charge 2/3 e) et un quark  down (-1/3 e) …Mais curieusement  on obtient des jets hadroniques durant les collisions dans les accélérateurs de particules, et non des jets de quarks isolés.  C es jets sont constitués de hadrons , ces  particules subatomiques régis par l'interaction forte et dont il  existe plusieurs sortes : les mésons  : hadrons bosoniques (voir boson), formés par des  paires quark/antiquark…Et les baryons  formés de trois quarks.Il existerait 6 variétés de quarks (

d,Down (Bas) −1/3 /u,Up (Haut) +2/3 /s,Strange (Étrange) −1/3 /c,Charm (Charme) +2/3 /b , Beauty (Beau) −1/3 /t ,Top,+2/3

3 :POURQUOI  DE TELLES BIZARRERIES ?

Après un siècle de physique nucléaire, les lois et constantes fondamentales de l'interaction forte restent en réalité quasi  inconnues, au contraire des lois de Coulomb et de Newton !…VOICI CE QUE L’ON SAIT :Le confinement des quarks  dans le proton ou dans les hadrons provient du fait que la force qui les lie croît avec la distance. Lorsque celle-ci est très faible, les quarks n’interagissent presque pas entre eux, tandis que plus ils s’écartent et plus l’interaction augmente ( ce phénomène est appelé «  liberté asymptotique ») jusqu’à un certain niveau où l’énergie fournie permettra la création d’ un méson ….. Le  proton  disparait  ! Le peu que l’on sait est dénommé « chromodynamique quantique  »ou QCD(David Gross, David Politzer , Frank Wilczek) et fait intervenir  le concept d’une particule énergétique qu’on appelle le « gluon » et qui  désigne cette force d’ échange  permanent d’énergie entre quarks…….Il en existerait 8 variétés ou « couleurs »( GELL MAN )

4 : L’IMAGE QUE L’ON PEUT SE FAIRE D’UN PROTON  EST DONC COMPOSITE…. SINON FLOUTEE  !

 Vu de l’extérieur  on pourrait déduire de mesures expérimentales  (et  que la théorie de  Coulomb  explique)  le champ électrique résultant de ces trois quarks réunis en proton très solide  de charge électrique globale  +1 ….. MAIS ALORS LA MECANIQUE QUANTIQUE INTERVIENT   pour autoriser les électrons  à venir  se placer  uniquement  à certaines distances  stables indiquées par la fonction d’onde de l’électron  et la probabilité de  sa présence  …… ce qu’ on appelle les niveaux quantiques  1S /2S/2P etc.

Il se pose alors la question de la disposition interne de ces trois quarks  a l’intérieur du proton   puisqu’ils  sont  de charges électriques opposées ……La littérature   fournit en général  des images  que représente  ma 3 ème  photo  et qui suggèrent que c’est l’interaction forte  qui commande les positions  possibles des 3 quarks  quand ils s’éloignent les uns des autres  et non l’interaction  électrique , laquelle est  alors bien   plus faible  …..En revanche, si  les 3 quarks   viennent  en quasi contact, ils   subiraient l’interaction  dominante    c’est à dire, la formation d’un  dipôle   électrique qui les rendrait quasi symétriques ET ON PEUT EN ENVISAGER LES CONSEQUENCES…..voir mes 2 dernières photo  qui sont proposées avec des rayons de charge égaux  pour les quarks u et d pour la commodité  de l explication : n oubliez pas que les 2 u se repoussent par interaction electrique  a distance nulle 

A suivre