Par Kevin Beck – Mis à jour le 30 août 2022
Les atomes sont les éléments fondamentaux de la matière et, à l’intérieur de chaque atome se trouve le noyau, un assemblage compact de protons et de neutrons entouré d’un nuage d’électrons. Comprendre le proton, le constituant chargé positivement du noyau, est essentiel pour comprendre la physique et la chimie atomiques.
Il existe 118 éléments connus, chacun défini par son numéro atomique, le nombre de protons dans son noyau. La plupart des éléments contiennent également des neutrons, dont le nombre varie pour produire différents isotopes. La masse combinée des protons et des neutrons représente la quasi-totalité de la masse atomique; la contribution des électrons est négligeable (environ 1/1 800ème de la masse d'un proton).
La taille d'un atome augmente avec son numéro atomique parce que le nuage d'électrons se dilate, tandis que le noyau reste à peu près au même rayon quel que soit le nombre de nucléons.
Les protons ne sont pas élémentaires; ce sont des baryons composés de trois quarks liés par la force forte. Le contenu en quarks du proton est de deux quarks up et d'un quark down :
Les quarks existent en six saveurs :haut, bas, haut, bas, charme et étrange, bien que seules les deux premières soient pertinentes pour la matière ordinaire. Les protons et les neutrons font partie de la famille des baryons qui, avec les mésons, constituent les hadrons qui subissent la forte interaction.
Le moment cinétique intrinsèque (spin) du proton est de 1/2°, une propriété quantique qui ne peut pas être visualisée comme une sphère littérale en rotation. Le spin résulte des contributions combinées des spins des quarks, du moment cinétique orbital des quarks et de la dynamique des gluons. Alors que les premiers modèles attribuaient à tort le spin uniquement aux quarks, les expériences modernes et les calculs de QCD sur réseau réconcilient désormais théorie et observation.
L’addition des masses des quarks constitutifs ne donne qu’environ 9 % de la masse mesurée du proton. Le reste provient de l'énergie du champ de gluons et du mouvement dynamique des quarks, manifestations de la chromodynamique quantique (QCD). En 2018, des simulations QCD sur réseau ont réussi à reproduire la masse du proton, confirmant que la majeure partie de la masse émerge de l'énergie de liaison plutôt que du reste des masses des quarks.
Les masses des particules sont souvent exprimées en électronvolts (eV). Pour référence, 1amu ≈ 931,5MeV/c².
Les protons sont au cœur de la structure de la matière, et leur masse, leur charge, leur spin et leur composition interne en quarks révèlent la danse complexe des forces fondamentales. Les progrès de la CDQ continuent d'approfondir notre compréhension de la manière dont ces particules apparemment simples acquièrent la masse et les propriétés qu'elles présentent.
