Le nom atome vient du mot grec ancien « ἄτομος », qui se traduit par indivisible.Sur
Le proton est l'un des trois subatomiques stables de ce type.particules (les deux autres sont des électrons et des neutrons), qui sont les éléments constitutifs des atomes. Ce nom (du grec ancien "πρῶτος" - premier) a été proposé par Ernest Rutherford en 1920. Dans une série d'expériences, un physicien britannique a montré que le "noyau d'hydrogène" (l'élément chimique le plus léger) pouvait être extrait de l'azote en entrant en collision avec une particule alpha (le noyau d'un atome d'hélium).
Plus d'un siècle après Rutherforddécouvert la particule chargée positivement au cœur de chaque atome, les physiciens tentent toujours de comprendre ce qu'est un proton. Les enseignants les décrivent généralement comme des balles sans relief avec une unité de charge électrique positive. À un niveau plus complexe, ces particules sont représentées comme un faisceau de trois quarks interconnectés : deux up et un down.
Mais même ce modèle est une forte simplification.Des décennies de recherche ont découvert et continuent d'explorer une image plus profonde qui est trop bizarre pour être entièrement véhiculée par des mots ou des images.
Illustration artistique de l'évolution des idées sur la composition du proton. Image : Laboratoire national de Brookhaven
Comment briser un proton et étudier sa composition
Preuve qu'un proton contientde nombreuses particules, a été obtenue pour la première fois au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC à Stanford à la fin des années 60 du siècle dernier. Lors d'expériences précédentes, les chercheurs les bombardaient d'électrons et les regardaient ricocher comme des boules de billard.
À l'accélérateur de particules SLAC, les physiciens ont réussi pour la première foisaccélérer les électrons suffisamment fortement pour modifier les résultats des observations. Les électrons, dans le processus de diffusion profondément inélastique, ont frappé le proton assez fort pour le briser et ont rebondi sur des fragments ponctuels du proton appelés quarks.
Les auteurs de cette découverte, qui fut la premièrepreuve de l'existence des quarks, a remporté le prix Nobel de physique en 1990. Et les scientifiques du monde entier ont depuis mené des centaines d'expériences de diffusion. Ils tirent des conclusions sur divers aspects de l'intérieur de l'objet en ajustant la force du bombardement et en choisissant les particules diffusées qu'ils étudient à la suite de l'expérience.
En utilisant des électrons de haute énergie, les physicienspeut détecter des détails plus fins du proton. Ainsi, l'énergie des électrons définit la résolution maximale de l'expérience de diffusion inélastique profonde. Plus les collisionneurs sont puissants, plus ils donnent une image complète de la composition du proton.
Les collisionneurs à haute énergie aussiproduire une gamme plus large de résultats de collision, permettant aux chercheurs de sélectionner différents sous-ensembles pour l'analyse. Cette flexibilité s'est avérée être la clé de la compréhension des quarks, qui se déplacent à l'intérieur du proton avec différentes impulsions.
En mesurant l'énergie et la trajectoire de chaque diffusionélectron, les chercheurs peuvent dire sur quel quark il a rebondi. L'analyse statistique de nombreuses expériences répétées, comme un recensement de la population, "indique" aux chercheurs comment l'impulsion d'un proton est distribuée ou de quel type de quarks il se compose.
Plus que trois quarks
Premières expériences au collisionneur SLACa confirmé la théorie développée plus tôt par Murray Gell-Mann et George Zweig sur la composition du proton à partir de trois quarks. Les électrons après la collision se sont séparés comme s'ils s'étaient écrasés en trois particules distinctes, chacune portant un tiers de la quantité de mouvement du proton.
Le modèle des quarks de Gell-Mann et Zweig décritle proton comme particule composée de deux quarks « up » avec une charge électrique de +2/3 chacun et d'un quark « down » avec une charge de -1/3, ce qui donne la charge totale du proton +1.
Mais le modèle des quarks est une simplification excessive,présente de sérieuses lacunes. Par exemple, cela ne fonctionne pas lorsqu'il s'agit de rotation (arrière) proton, une propriété quantique similaire au moment cinétique. Cette particule subatomique a un spin de ½, tout comme chacun de ses quarks up et down.
Initialement, les physiciens pensaient queDans les calculs répétant l'arithmétique de charge simple, la moitié des unités des deux quarks up moins la fraction du quark down devrait être égale à la moitié de l'unité du proton dans son ensemble. Mais en 1988, la Collaboration européenne sur les muons a calculé que la somme des spins des quarks représentait bien moins de la moitié.
De même, des études ont montré que les massesdeux quarks up et un quark down ne représentent qu'environ 1% de la masse totale du proton. Cela signifiait que quelque chose d'autre devait être caché à l'intérieur - d'autres particules élémentaires qui expliqueraient les propriétés de cette particule subatomique.
Modèle simplifié de la structure du proton. Animation : Laboratoire national de Brookhaven
De nombreux quarks et antiquarks dans une particule
Accélérateur de particules HERA en allemandLe centre de recherche DESY à Hambourg de 1992 à 2007 a étudié la collision d'électrons et de protons avec une force environ mille fois supérieure à celle obtenue au SLAC. Bien que l'expérience ait été achevée il y a plus de 10 ans, les physiciens continuent d'analyser les données recueillies.
Dans les expériences HERA, les physiciens ont pu étudierles électrons ont rebondi sur des quarks à impulsion extrêmement faible, y compris ceux qui ne transportaient que 0,005% de l'impulsion totale du proton. Les résultats de l'observation ont confirmé que la composition du proton est beaucoup plus compliquée que le modèle des quarks de Gell-Mann et Zweig : les électrons rebondissent sur le "tourbillon" des quarks à faible impulsion et de leurs homologues antimatière, les antiquarks.
Une structure complexe de nombreux quarks et antiquarks. Animation : MIT/Jefferson Lab/Spoutnik Animation
Les résultats ont confirmé la complexité et l'étrangetéthéorie de la chromodynamique quantique. C'est la théorie quantique de la force forte qui lie les quarks. Ce modèle confère aux quarks une nouvelle propriété, provisoirement appelée "couleur", et introduit de nouvelles particules, les gluons, qui portent l'interaction forte entre les quarks.
Chaque quark et chaque gluon possède l'un des troistypes de charges « de couleur », désignées par rouge, vert et bleu. Ces particules chargées de couleurs s'attirent naturellement les unes les autres et forment un groupe, comme un proton, dont les couleurs totalisent le blanc neutre.
Selon la théorie de la chromodynamique quantique, les gluonspeut capter des bouffées d'énergie instantanées. Avec cette énergie, ces particules se désintègrent en un quark et un antiquark, chacun ne transportant qu'une petite quantité de quantité de mouvement, avant que la paire ne s'annihile et ne disparaisse. C'est cette "mer" de transition gluons, quarks et antiquarks qui a été découverte par les détecteurs sensibles d'HERA.
Visualisation des protons. Animation : MIT
Nouveau look charmant
Collisions extrêmes à haute énergiemontrent une grande variété de quarks, d'anikirks et de gluons dans lesquels les protons se désintègrent. Les collisions avec moins d'énergie ne montrent que trois quarks de valence, qui déterminent le nombre quantique d'une particule élémentaire. Mais une nouvelle étude montre que parfois le proton agit comme une structure composée de cinq quarks.
Équipe de recherche dirigée par Juan Rojode l'Institut national de physique subatomique des Pays-Bas et de l'Université VU d'Amsterdam ont analysé plus de 5 000 images de protons prises au cours des 50 dernières années, en utilisant l'apprentissage automatique pour déterminer le mouvement des quarks et des gluons à l'intérieur d'un proton.
Une nouvelle vérification a trouvé un flou d'arrière-plan surimages qui avaient échappé aux chercheurs précédents. Dans des collisions relativement douces qui ont à peine déchiré un proton, la plus grande partie de l'impulsion était dans les trois quarks habituels : deux vers le haut et un vers le bas. Mais des études ont montré qu'une petite quantité de quantité de mouvement provenait du quark « charmé » et de l'antiquark charmé. Ce sont de grosses particules élémentaires, dont chacune est plus lourde que le proton entier de plus d'un tiers.
L'étude a montré que bien qu'à des niveaux élevésDans les collisions énergétiques, les gluons peuvent se diviser en l'un des six types de quarks différents s'ils ont suffisamment d'énergie, les quarks charmés et les antiquarks se forment beaucoup plus fréquemment, ce qui les rend perceptibles même dans des collisions relativement douces.
Dans ces collisions, le proton apparaît commemélange quantique ou superposition de plusieurs états : un électron entre généralement en collision avec trois quarks légers. Mais de temps en temps, il rencontrera une "molécule" plus rare de cinq quarks, comme un quark up, down et charmé regroupés d'un côté, et un quark up et un antiquark charmé de l'autre.
Ces résultats ne sont pas seulement théoriquessignification. Par exemple, une quantité suffisante d'énergie peut être générée par la collision de protons de rayonnement cosmique avec des particules élémentaires dans la composition des atomes de l'atmosphère terrestre. Au cours de telles collisions, les protons peuvent se désintégrer en quarks charmés et « se répandre » sur la Terre sous la forme de neutrinos de haute énergie. Cela peut dérouter les observateurs qui utilisent ces particules pour étudier l'univers lointain.
Cent ans après la découverte de la physique du protoncontinuer à étudier la structure interne de ces particules élémentaires. Les expériences de nouvelle génération rechercheront encore plus de fonctionnalités inconnues. Par exemple, les physiciens du Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis prévoient de lancer le collisionneur électron-ion dans les années 2030 et de reprendre là où HERA s'était arrêté. Ils prendront des images à plus haute résolution qui permettront les premières reconstructions 3D du proton.
Cela devrait définitivement aider les chercheursdéterminer l'origine de la rotation du proton et répondre à d'autres questions fondamentales sur la particule obscure qui constitue la majeure partie de la matière ordinaire (baryonique) environnante.
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Sur la couverture : une illustration artistique des nombreux quarks, antiquarks et gluons à l'intérieur d'un même proton. Image : D. Dominguez, CERN