Accueil > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (…) > Qu’est-ce qu’un proton ?
Qu’est-ce qu’un proton ?
dimanche 22 septembre 2019, par
L’atome et les composants de son noyau (neutrons et protons)
Le spin du proton
Les quarks du proton
Proton et neutron (échanges de gluons et de pions)
Qu’est-ce qu’un proton ?
Un lecteur nous demande : « Décrivez-moi un proton. »
Certains diraient : Tache impossible, on ne peut répondre que de manière mathématique. Mais ce n’est pas notre point de vue...
Autrefois, on aurait dit : une boule.
Puis, on a dit : un groupe de trois boules.
En effet, on pouvait dire que c’est une particule élémentaire, chargée positivement d’une charge égale et opposée à celle de l’électron, mais ensuite on a compris qu’elle était composite, formée de trois quarks. Cependant, il n’est pas possible de dissocier les quarks de la structure… Et il est aussi difficile de décrire les quarks que de décrire les protons, vu que les quarks eux aussi sautent sans cesse d’un état à un autre !
Aujourd’hui, on dirait quoi ?!!!
Eh bien, on dirait que le proton ne doit pas être considéré comme un individu indépendant du milieu qui l’entoure, ni même comme un objet toujours le même au travers des changements qu’il subit.
On aura du mal à dire « ce qu’est » le proton car il change sans cesse. On ne peut pas le suivre dans sa trajectoire car il n’est pas simplement en déplacement dans un vide sans interaction avec lui. Le vide est plein… des états à venir du proton.
On a commencé par dire que le proton est comme une boule puisqu’il semble se comporter de la même manière dans toutes les directions. Il n’a pas de poils, pas de pointes, pas de dissymétrie de forme. Mais on a ensuite remarqué que toutes les directions n’étaient pas identiques pour le proton puisqu’il possède un moment magnétique interne appelé « le spin », moment qui privilégie donc une direction et un sens. Posséder un spin pour une particule, cela signifie être décrit un peu comme une toupie...
On a également opposé protons et neutrons, ceux deux composants du noyau atomique, parce que le neutron, lui, est neutre électriquement. Mais on a ensuite remarqué que proton et neutron se comportaient souvent exactement de la même manière.
Feynman remarque ainsi dans son Cours (Tome Electromagnétisme 1) :
« La force nucléaire entre deux neutrons est la même que la force entre un proton et un neutron, qui est aussi la même que la force entre deux protons ! Si, dans n’importe quel problème nucléaire, on remplace un proton par un neutron (ou vice-versa), les interactions nucléaires sont inchangées. »
Les deux opposés (neutron et proton) sont donc aussi quasiment identiques, interchangeables !!!
Nous allons constater dans la suite de la « description » du proton que de telles contradictions, dites dialectiques, sont légion. Bien des fois, la physique constate des oppositions pour ensuite constater que les opposés se composent ou se transforment l’un dans l’autre.
Prenons le « spin ». Ce moment magnétique permet à la particule d’avoir deux états opposés : spin positif et spin négatif. En effet, si on choisit une direction, toute rotation va avoir deux sens possibles pour tourner. Le moment magnétique de rotation intrinsèque au proton (tout comme celui de l’électron ou du neutron) ont donc deux spin possible : + ou -.
Cela a une influence par exemple sur les interactions nucléaires entre protons, entre protons et neutrons ou des neutrons entre eux, interaction qui dépend des spins des particules autant que de leurs mouvements respectifs.
Les interactions nucléaires sont élément fondamental de la stabilité des noyaux atomiques. On sait depuis la bombe atomique, mais aussi pour l’énergie des étoiles, que cela représente une énergie considérable « emmagasinée » dans la matière et qui peut exploser si le noyau se décompose.
Feynman écrit :
« Qu’est-ce qui maintient le noyau compact ? » Dans le noyau il y a plusieurs protons qui tous sont positifs. Pourquoi ne se repoussent-ils pas ? Il s’avère que dans le noyau il y a, en plus des forces électriques et qui sont appelées forces nucléaires, qui sont plus grandes que les forces électriques et qui sont capables de maintenir les protons ensemble malgré la répulsion électrique. Les forces nucléaires, cependant, sont à court rayon d’action – leur intensité décroît beaucoup plus rapidement que l’inverse du carré du rayon. Et ceci a une conséquence importante. Si un noyau contient trop de protons, il devient trop gros, et il ne restera pas compact…
Les forces nucléaires agissent principalement entre chaque proton (ou neutron) et son plus proche voisin, tandis que les forces électriques agissent sur de plus grandes distances, donnant une répulsion entre chaque proton et tous les autres protons du noyau. Plus il y a de protons dans le noyau, plus forte est la répulsion électrique, jusqu’à ce que… l’équilibre devienne si fragile que le noyau est presque prêt à éclater sous l’action de la force électrique de répulsion.
Si un tel noyau est juste « heurté » légèrement (comme on peut le faire en le bombardant par un neutron lent), il se casse en deux morceaux, chacun avec une charge positive, et ces morceaux s’écartent par répulsion électrique. L’énergie qui est libérée est l’énergie de la bombe atomique. Cette énergie est couramment appelée énergie « nucléaire », mais c’est réellement l’énergie « électrique » libérée quand les forces électriques ont dépassé les forces nucléaires d’attraction. »
L’apparente stabilité des noyaux est un équilibre près à sauter rapidement et violemment à un autre équilibre. Le proton est très loin de rester dans le même état. Il change notamment du fait des interactions avec les nucléons (proton ou neutron) les plus proches. Mais il change aussi du fait des interactions avec ses propres particules d’interaction (les gluons).
On pourrait penser que l’interaction nucléaire serait simple comme la l’interaction entre deux particules chargées (la loi de Coulomb en inverse du carré de la distance comme la loi de la gravitation), mais c’est faux ! En réalité, quand deux particules chargées se rapprochent beaucoup, elles s’attirent puis se repoussent puis à nouveau s’attirent et ensuite se repoussent encore plus fort !!! On expliquera cela par la suite (écrantage de la charge de la particule, c’est-à-dire par l’existence de couches successivement positives et négatives autour de la particule).
Intervient alors le spin des particules. Tout dépend d’abord si leur spin est parallèle ou perpendiculaire à la ligne de séparation entre les deux particules. Ensuite, tout dépend si les spins sont parallèles ou perpendiculaires aux vitesses des particules (interaction spin-orbite). Enfin, tout dépend si les deux particules ont des spins de même sens ou de sens opposé.
Mais ce qui est essentiel à comprendre, c’est que dans tout cela, les deux protons (ou le proton et le neutron, ou le deux particules) ne restent pas du tout identiques à elles-mêmes au cours du temps mais sautent à grande vitesse d’un état à un autre, apparaissant successivement dans des états dits « excités » qui sont fugitifs puis revenant dans l’état de départ. Les niveaux d’énergie de la particule sont considérablement changés par le passage à ces états excités…
Pire même si l’on peut dire, le proton n’est jamais dans un seul état mais dans une superposition d’états potentiels et passe seulement à une autre superposition d’états potentiels !!! Ce qui va se produire va donc dépendre non seulement des états superposés précédents mais aussi des particules d’interaction qui vont activer la particule et « choisir » quel état elles activent…
Décrire un proton, comme décrire une particule plus généralement, ce n’est jamais seulement dire ce qu’elle est (car elle n’est jamais une seule chose à la fois), mais ce qui lui arrive. Et il peut lui arriver un très grand nombre de choses différentes avec des probabilités diverses que cela arrive…
Comme on va le voir par la suite, cela ne veut pas dire qu’on ne peut rien décrire mais cela signifie qu’on ne peut rien présenter comme un objet fixe, comme une chose, comme ce que nous croyons voir du monde matériel à notre échelle.
Pire, on ne peut rien représenter en continu ! Même le spin est quantique, c’est-à-dire qu’il saute par quantité entières, dites discrètes ! Les « sauts » quantiques ne sont prêts de cesser de nous étonner, avec notre vision continue des évolutions matérielles. Nous allons voir que, loin de se déplacer tranquillement en continu, le proton saute sans cesse d’un état à un autre et même pire, d’une superposition d’états potentiels à une autre… Mais n’anticipons pas.
Comme chacun sait, les molécules sont faites d’atomes, les atomes faits de protons et de neutrons et entourés d’électrons. Cela ressemble à un jeu de construction avec des forces pour attacher l’ensemble de la structure. En fait cette image naïve de la matière en jeu de construction puis en mécanique classique est complètement dépassée.
Déjà parler d’un noyau « composé » de protons « et » de neutrons, c’est oublier que les protons se transforment sans cesse en neutrons et inversement ! Déjà une transformation qu’il va falloir comprendre. Car protons et neutrons s’opposent autant qu’ils se composent et se transforment l’un dans l’autre. Une dialectique assez renversante en somme…
Voici se qu’écrit James Trefil de l’Université George Mason de Virginie : "Bien qu’on se représente habituellement le noyau comme un ensemble statique de protons et de neutrons, il est en réalité un lieu essentiellement dynamique. Des particules de toutes sortes s’y déplacent en tous sens et à toute allure, se percutant les une les autres, subissant créations et destructions selon que leur énergies sont converties en masse ou leurs masses en énergie. (...) Depuis les années cinquante, plus de deux cents de ces particules ont été découvertes à l’intérieur du noyau."
Dans cette dynamique, la notion d’individu isolé ou d’équilibre statique n’a pas de sens. Il n’y a pas plus de noyau fixe ou de proton fixe que d’électron fixe, envisageable en tant qu’individu égal à lui-même. L’individu particule n’existe pas plus que l’étoile isolée, sans galaxie et amas de galaxie. Pas plus que l’homme isolé de son univers humain, social, culturel et matériel.
Le noyau de l’atome n’existe que du fait d’une incroyable agitation formée non seulement par le vide mais par des myriades de particules éphémères et par des multiples échanges entre protons et neutrons et non par une fixité des neutrons et des protons.
La contradiction au sein de la matière existe en même temps que l’unité…. Une marque de cette unité est la transformation mutuelle des entités contradictoires du microcosme. C’est ainsi qu’un boson (un photon par exemple) se transforme, dans des conditions appropriées, en un fermion et un antifermion (électron et positron). Mais la transformation inverse est aussi courante ; c’est ce que l’on appelle « dématérialisation » d’un électron et d’un positron. Deux fermions (un proton et antiproton) peuvent être transformés en plusieurs pions (le nombre peut varier, parce que, contrairement aux fermions, il n’y a pas de conservation du nombre mésonique). Ce qui est « matière » devient « champ », et inversement, et la frontière entre « champ » et « matière » n’est pas aussi absolue qu’on le croyait au début…
La matière et l’antimatière, la matière dite réelle et la matière dite virtuelle, l’onde et le corpuscule, etc., toutes ces contradictions doivent absolument être pensées de manière dialectique et non diamétrale. Elles s’échangent et se composent et ne se contentent pas de s’opposer ou de se détruire mutuellement. On considère par exemple le proton et le neutron comme des particules différentes. Mais si l’on néglige l’interaction électromagnétique, les deux particules sont identiques. Les forces nucléaires, et plus généralement les interactions fortes de ces particules, sont indépendantes de la charge. Dans le noyau, les interactions proton-proton, proton-neutron et neutron-neutron sont, de ce point de vue, identiques. Cette symétrie démontre l’unité et la différence des deux nucléons : on a une seule particule, avec deux états, si l’on fait abstraction de l’interaction électromagnétique, et la différence entre les deux états de nucléon se manifeste….
Proton et neutron s’opposent notamment parce que le proton n’est pas neutre électriquement. Mais la fusion d’un proton et d’un électron produit un neutron. Dans les étoiles à neutrons, qui montrent forces gravitationnelles très intenses, les électrons sont fusionnés avec les protons pour former des neutrons.
Reste que rien de ce qui est matière-lumière ne peut être compris autrement que comem produit du vide quantique, un domaine que l’on appelle « le virtuel » ou l’éphémère car les particules et antiparticules apparaissent et disparaissent.
L’image de la matière qui résulte de ces études est ainsi résumée par l’astrophysicien Cassé dans « Du vide et de la création » :
« Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». (…) Aucune particule, même « au repos », ne jouit de la pleine tranquillité. (…) ce que nous appelons communément « force » est, selon la pensée quantique, un phénomène collectif causé par l’échange d’innombrables particules virtuelles. (…) Concrètement, la création simultanée d’un électron et d’un positon peut être réalisée au moyen de rayons gamma d’énergie supérieure à 1,022 MeV (deux masses d’un l’électron). (…) Le « réel » est produit à proximité de « réel », à partir du virtuel. Le vide est donc l’état « zéro particule réelle ».
Il est étonnant que des particules chargées positivement et négativement, qui s’attirent, n’aillent pas jusqu’à s’écraser l’une sur l’autre. Il est étonnant que des protons, chargés positivement et donc répulsifs l’un pour l’autre, parviennent à rester dans un espace aussi étroit que le noyau atomique alors qu’elles se repoussent. Il est étonnant que l’électron négatif, qui appartient à un atome, ne chute pas sur le noyau de l’atome (positif) qui l’attire. Etc, etc…. C’est le problème de la stabilité de la matière. Elle s’explique par le fait qu’aucune particule de matière n’est isolée mais entourée de particules virtuelles, tout un nuage qui sont d’électricité opposées car ce sont des particules et leurs antiparticules. Du coup, une particule matérielle d’électricité positive ne peut pas aisément tomber sur une particule matérielle d’électricité positive car avant qu’elles se rapprochent elles rencontrent en couches successives des particules virtuelles d’électricité identique à la leur qui les repousse. C’est l’écrantage de la particule chargée électriquement.
« L’électron n’est pas pensable sans son cortège de photons potentiels. » écrit ainsi Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps". Mais cela est tout aussi vrai du proton : il est lui aussi entouré d’un nuage virtuel de particules et d’antiparticules qui écrante sa charge.
C’est cela qui amène la matière, attirée par gravitation ou par électromagnétisme entre électron et proton, à rester à distance, rejetant les agglutinations et faisant en sorte de trouver des structures qui minimisent l’énergie d’interaction en mettant en commun des photons qui s’échangent entre les particules.
Lorsque deux particules sont suffisamment proches, les deux nuages virtuels sont le siège d’échanges d’énergie permanents, les particules rendant « réels » (c’est-à-dire avec une masse inerte) des photons virtuels de leur nuage et ces échanges représentant une mise en commun d’énergies du vide et donc une structure relativement plus favorable qu’un état avec deux particules séparés et indépendantes.
Le proton, le neutron ou les quarks ne sont pas plus des particules individuelles qui existent sans un nuage qui est un cortège de gluons par exemple. Cette propriété est fondamentale dans l’interprétation quantique de l’atome et de ses sauts d’un état à un autre. C’est le fondement de l’étude de l’atome par celle des émissions lumineuses, ou spectre d’émission. C’est également le fondement d’une nouvelle compréhension de la stabilité de la matière qui n’est pas fondée sur la fixité en tant qu’objets individuels mais sur des phénomènes dynamiques qui permettent la conservation de certaines propriétés grâce à des changements à grande vitesse appelés virtuels du fait que le monde à notre échelle ne les voit pas directement. Ils apparaissent et disparaissent dans un temps plus court que les temps caractéristiques des interactions de la matière et de la lumière. Même si le virtuel n’est directement "visible" ou "sensible" pour nous et nos appareils d’observation, les expériences de toutes sortes sur les particules imposent son existence qui seule peut permettre de les expliquer.
La particule est "habillée" par son nuage virtuel constitué par la transformation à proximité de la particule du vide quantique qui l’entoure. Cela signifie que toutes les caractéristiques de la particule, comme la masse ou la charge, et toutes les expériences d’interaction de la particule ne peuvent s’interpréter si on considère le corpsucule "nu" sans nuage virtuel autour.
Virtuel signifie fugitif mais signifie aussi potentiel parce que la particule peut sauter d’un point de son nuage à un autre.
Tout proton virtuel peut également devenir réel et inversement. D’autre part, un proton peut se changer en neutron au sein du noyau de l’atome, et inversement. Là encore, les oppositions peuvent se changer en leur contraire. Proton se change en neutron, et inversement, comme matière se change en vide et vide en matière, au travers des sauts des bosons de Higgs. De même le quanta d’interaction n’est pas fixe. Tout photon peut également se changer en couple matière et antimatière, par exemple électrons et positrons virtuels. Du coup, le photon peut se « mélanger » avec la matière pour produire une nouvelle matière et de nouveaux photons en échangeant des particules virtuels. Les particules peuvent aussi échanger des photons. Toutes ces interactions changent la matière et la lumière et se font par des chocs, interactions à une échelle beaucoup plus rapides que les temps caractéristiques des phénomènes sur lesquels ils agissent. De même, un quark peut se changer en un autre. La couleur n’est pas un paramètre attaché au quark mais une propriété pouvant sauter d’un quark à un autre. Un neutrino peut également se changer spontanément en un autre. Un noyau d’atome peut se changer dans un ou plusieurs autres, tout aussi spontanément.
Chaque proton est fondé sur trois quarks et sur leurs échanges, leurs transformations mutuelles. Il n’est pas seulement la somme des trois quarks car il faut y rajouter les particules d’interaction qui empêchent notamment ses quarks de s’évader et qui les relient. Mais c’est loin d’être tout. A cet état (trois quarks) se rajoutent un nombre illimité d’autres états dans lequel le proton peut se trouver :
trois quarks plus un gluon
quatre quarks plus un antiquark plus un gluon
Etc, etc…
Chacun des états ci-dessus possède une probabilité définie pour chaque proton. Ce qui signifie que le proton n’est pas seulement le proton actuel mais aussi toutes ses potentialités et leurs probabilités respectives.
C’est une image très différente de ce que peut être une particule de « matière » possédant une masse au repos.
Et cette image doit encore être complétée par la nouvelle image des interactions qui est très loin de ce qu’on imaginait autrefois des « chocs » entre corpuscules. Quand deux particules se rencontrent et détournent du coup leur trajectoire, il n’y a pas seulement changement de trajectoire mais changement de particule !
On considère que le proton et le neutron possèdent une substructure. On suppose qu’ils ont un cœur dur, entouré d’une couche extérieure formée d’un nuage de pions. Ces mésons sont continuellement émis et réabsorbés par le cœur dur du nucléon, qui apparaît comme une source et en même temps un puits de ces particules virtuelles….
L’antimatière est sans cesse présente dans la matière, par exemple sous forme d’antiquarks, ou sous forme virtuelle au sein du vide quantique. Mais le virtuel se transforme sans cesse en réel…
Les interactions matière – antimatière sont destructives : par exemple, un proton et d’un antiproton en sept pions (trois pions positifs, trois négatifs et un pion neutre.
Les chocs de toutes ces « particules » sont bien loin de parties de billards à boules… Prenons le cas de la diffusion d’un pion sur un nucléon. Ce phénomène pouvait être considéré comme très simple : le méson « heurte » le nucléon, il change de direction dans l’espace, et c’est tout. Mais les choses ne sont pas tellement simples : pendant l’interaction méson-nucléon, on considère qu’il y a formation d’un état résonnant, d’une particule nouvelle et éphémère (le N*) qui, après un intervalle de temps presque infinitésimal, se transforme de nouveau en pion et en nucléon…
Un autre exemple, très connu : un électron et un positron interagissent, et se transforment en un quantum de rayonnement électromagnétique. Un quantum de rayonnement, d’autre part, peut s’il est assez « dur », se transformer en électron et un positron. L’électron et le positron sont des particules « matérielles ». Ils ont une masse au repos différente de zéro. Le photon, au contraire, est de l’ « énergie pure », du champ, il n’a pas de masse au repos, il n’est pas « de la matière ». Les électrons « se dématérialisent ». Le photon se « matérialise ». De la même manière, à partir de pions, on peut produire des couples proton-antiproton, et inversement. Ici le pion est considéré comme matériel. Mais dans d’autres circonstances, il est considéré comme « champ », comme un agent d’une interaction entre particules matérielles…
Les transformations des particules élémentaires ne suivent pas en général une voie unique. Dans le cas d’un proton et d’un antiproton par exemple, on peut avoir un pion positif, un négatif et un neutre, ou trois mésons positifs et trois négatifs, ou encore deux mésons positifs, deux négatifs et deux neutres, ou trois positifs, trois négatifs et un neutre, ou enfin, six mésons neutres.
Dans les transformations des particules élémentaires, on observe en général plusieurs « canaux », et on peut souvent calculer la probabilité pour chaque voie. Dans toutes ces transformations, les lois générales de conservation sont respectées, ainsi que les lois moins universelles, et les règles de sélection appropriées. Ces restrictions et ces régularités montrent que la potentialité des formes matérielles n’est pas le résultat de l’arbitraire, mais des liaisons bien déterminées de chaque particule avec son milieu.
Dans le noyau des atomes, on trouve un proton ou un neutron, chacun avec trois quarks. Un proton est constitué de deux quarks u (u pour up – haut en anglais) de charge + 2/3 (deux tiers de la charge d’un proton) et d’un quark d (d pour down – bas en anglais) de charge -1/3 (un tiers de la charge d’un électron), ce qui lui donne en tout une charge +1. Un neutron est constitué de un u et de deux d ; il est donc neutre, de charge zéro. Le passage de l’un à l’autre s’effectue par la transformation d’un quark u en un quark d (ou vice versa) avec émission d’un positon (l’anti-électron) et d’un neutrino ; le quark d se transforme en u avec émission d’un électron et d’un anti-neutrino. Ces transformations de quarks procèdent de l’interaction nucléaire faible puisqu’elles font intervenir les électrons (ou positons) et neutrinos (ou anti-neutrinos). La fusion des quarks en nucléons relève de l’interaction nucléaire forte. Avec un plusieurs nucléons (proton et neutron), on obtient un noyau d’atome que l’on complète par son cortège électronique.
La base de la théorie des quarks est très simple : il faut trois quarks pour former un baryon, soit un quark s’unit à un antiquark pour former un méson. Il existe six sortes de quarks (on dit six saveurs) : u, s, d, c, t, et b). La formation et la désintégration des particules s’expriment en termes de quarks. Dans la désintégration du neutron, un quark d est remplacé par un quark, ce qui fait que udd donne uud, soit un neutron se transforme en un proton plus un positron et un antineutrino. Si les quarks sont liés, il doit bien y avoir une force qui les attire les uns vers les autres, une force extrêmement forte. L’interaction entre quarks et entre nucléons est appelée la force forte. Les quarks existent sous trois formes différentes qu’on a appelé couleurs : rouge, vert et bleu. La théorie qui incorpore toutes ces caractéristiques de la force entre quarks est la Chromodynamique quantique ou QCD. Nous avons expliqué que la charge d’un électron polarise le vide en attirant les positrons virtuels et en repoussant les électrons virtuels dans l’espace autour de lui. Cela écrante sa charge, diminuant la force effective ressentie à distance. Un effet semblable de polarisation se passe autour d’un quark, mais cette fois il met en jeu la couleur au lieu de la charge électrique. La charge de couleur d’un quark attire les antiquarks virtuels de l’anticouleur appropriée. Le vide contient aussi des gluons virtuels, qui participent aussi à la polarisation puisqu’ils sont colorés, mais leur effet est au contraire de renforcer la charge de couleur au lieu de l’écranter. Les gluons l’emportent sur les quarks, et le résultat net est que la charge effective de couleur augmente au lieu de diminuer. Pour deux quarks très proches, l’effet anti-écran est évité, expliquant le confinement des quarks.