- 1. Historique
- 2. Caractéristiques
- 3. L'antiproton
- 4. Taille du nucléon
- 5. Hypothèse de la structure en quarks dans la famille des hadrons
- 6. Mise en évidence de la structure en quarks et confinement
- 7. Recherche pour une désintégration du proton
- 8. L'utilisation des faisceaux de protons et d'antiprotons. La protonthérapie.
- 9. Bibliographie
PROTONS
La matière est constituée d'atomes (dont la dimension est de l'ordre de 10—10 mètre), eux-mêmes formés par un noyau (dont la dimension est de l'ordre de 10—15 mètre, soit 1 femtomètre [fm]) autour duquel gravitent des électrons. Le proton est une particule de charge électrique positive, numériquement égale à celle de l'électron, mais de masse 1 836 fois plus grande que ce dernier. Les protons avec les neutrons (de masse voisine et de charge nulle) sont les deux constituants du noyau où se concentre presque toute la masse de l'atome. On les appelle les nucléons. Le proton constitue à lui seul le noyau de l'atome le plus simple, l'atome d'hydrogène, le plus abondant dans l'Univers.
La cohésion du noyau est assurée par une interaction extraordinairement intense, l'interaction nucléaire forte, qui emprisonne les nucléons dans un tout petit volume, et compense la répulsion électrostatique entre les protons. Cette force assure la stabilité de nombreux noyaux. Une énergie de liaison considérable se libère lorsque les protons et les neutrons se combinent pour former un noyau (mécanisme de fusion). Elle est responsable de la puissance dévastatrice des bombes H, mais aussi de l'activité stellaire. Les protons constituent en effet une partie essentielle du combustible des étoiles.
Jusqu'aux années 1960, les protons et les neutrons étaient considérés comme des briques élémentaires de la matière. Depuis lors, les expériences de diffusion d'électrons de haute énergie nous ont révélé que les protons et les neutrons sont en fait des objets complexes constitués de quarks et de gluons.
Historique
La masse et la charge du proton, c'est-à-dire de l'ion positif hydrogène, sont mesurées pour la première fois par le physicien allemand Wilhelm Wien en 1898, puis par le physicien anglais Joseph John Thomson en 1910. À cette époque, Thomson imagine que les électrons et les protons s'agglomèrent pour former l'atome, sorte de petite boule homogène. Mais cette vision est rapidement réfutée par la mise en évidence d'un noyau atomique, cœur compact, chargé et de très petite dimension à l'intérieur de l'atome. Ce modèle, proposé par Ernest Rutherford, s'inspire des expériences de Hans W. Geiger et Ernest Marsden. Ces expériences, réalisées en 1909, consistent à bombarder une feuille d'or avec un faisceau de particules alpha (les noyaux de l'atome d'hélium 4) et à détecter les particules diffusées dans toutes les directions. Les trajectoires des particules alpha ne sont, pour la plupart, que peu modifiées, sauf quelques-unes qui se trouvent déviées d'un grand angle. Rutherford en déduit que la feuille d'or comporte un certain nombre de corps ponctuels (les noyaux atomiques) portant une charge électrique élevée, séparés par de larges intervalles où règne un champ électrique faible. Il obtient ainsi une radiographie des constituants de la cible (la feuille d'or) : cette méthode reste depuis très largement utilisée en physique nucléaire. Quelques années plus tard (en 1920), Rutherford élabore une théorie selon laquelle les noyaux seraient constitués de protons et d'électrons. La cohésion du noyau aurait pour origine un équilibre des interactions électromagnétiques entre les paires proton-proton ou électron-électron, qui se repoussent, et les paires proton-électron, qui s'attirent. Ce n'est qu'en 1932 que James Chadwick identifie le neutron, et que les protons et les neutrons sont reconnus comme les constituants fondamentaux du noyau.
Une nouvelle interaction, appelée interaction nucléaire forte, doit alors assurer la cohésion du noyau. Cette interaction dépend peu de la nature des nucléons. Elle est extrêmement intense tant que la distance entre les nucléons reste inférieure à 1,5 fm : au-delà,[...]
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Écrit par
- Nicole d' HOSE : docteur ès sciences, physicienne au service de physique nucléaire au Commissariat à l'énergie atomique, Saclay
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