ÉCHOS DES LABOS
PHYSIQUE DES PARTICULES
L’ANATOMIE DU PROTON, PLUS COMPLEXE QUE PRÉVU P.!6 Échos des labos P.!16 Livres du mois P.!18 Disputes environnementales P.!20 Les sciences à la loupe
Comment se répartit la masse à l’intérieur du proton!? En sondant cette particule, des scientifiques ont mis en évidence une structure à trois couches.
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ans ses premiers instants après le Big Bang, l’Univers était une soupe chaude de particules élémentaires. En se refroidissant, les quarks se sont combinés pour former les protons et les neutrons, qui se sont à leur tour associés pour donner les premiers noyaux atomiques. Si la plupart de la masse visible de l’Univers est contenue aujourd’hui dans les protons et les neutrons des atomes, une énigme demeure. La masse des trois quarks du proton ne représente qu’environ 1#% de la masse de ce dernier. Au cours des décennies passées, l’image de l’intérieur du proton s’est affinée#: les trois quarks baignent dans une mer agitée, remplie de gluons et de paires quark-antiquark qui surgissent du
6 / POUR LA SCIENCE N° 547 / MAI 2023
vide et disparaissent aussitôt. L’essentiel de la masse du proton provient ainsi, en vertu de la célèbre formule E = mc2, de l’énergie cinétique des particules et de
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Les quarks, sensibles aux gluons, sont une bonne sonde pour étudier le rayon de masse du proton
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celle associée à l’interaction forte, qui assure la cohésion du proton et dont les gluons sont les messagers. Mais comment la masse se répartitelle au sein du proton#? Burcu Duran, du
laboratoire américain d’Argonne, et ses collègues ont levé le voile sur cette question. Ils en ont déduit une première idée du rayon moyen de la distribution de la masse du proton, ou «#rayon de masse#». Jusqu’à présent, les physiciens utilisaient une autre grandeur pour définir la taille du proton#: le rayon moyen de la distribution de la charge électrique du proton, ou «#rayon de charge#». En effet, les quarks ont une charge électrique et, en s’agitant dans le proton, ils forment une sphère, chargée et aux bords flous, pour laquelle on détermine un rayon moyen. Par exemple, en bombardant des protons avec des électrons, les spécialistes ont mesuré un rayon de charge de l’ordre de 0,88 femtomètre (10 – 15 mètre). Qu’en est-il du rayon de masse#? Les électrons ne sont pas une bonne sonde pour étudier cette caractéristique du proton, car ils ne sont pas sensibles à l’interaction forte et donc aux gluons. En revanche, les quarks, porteurs d’une charge de «#couleur#» (l’équivalent de la charge électrique pour l’interaction
© D. Dominguez/2020-2023 Cern
Vue d’artiste de l’intérieur d’un proton. Les trois quarks de valence sont représentés en plus gros (deux u et un d) tandis que ceux de la mer de quarks virtuels sont plus petits. Les gluons sont représentés par les boucles.