Retour sur un vieux garçon dont nous croyions tout savoir

Vous connaissez peut-être (et sinon je vous en recommande la lecture) l’ouvrage « L’homme, cet inconnu ». Eh bien, cet homme générique là est constitué comme tous les êtres vivants et tous les objets inertes peuplant notre univers de myriades de particules élémentaires. L’une d’elle se nomme le proton (+ = lien externe Wikipédia France). Les scientifiques ne cessent de se rendre compte qu’ils le connaissent très mal.

 

Plutôt que de se concentrer sur les mésons+, les neutrinos+ et le fameux boson de Higgs+, certaines équipes ont donc choisi de réinterroger nos connaissances fondamentales sur le proton. Elles ont fait resurgir des problématiques dont on croyait qu’elles étaient résolues depuis longtemps.

 

La cosmologie actuelle se base sur modèle standard+. Les protons y apparaissent très vite, dès que l’univers s’est suffisamment refroidi pour qu’apparaisse une enveloppe surfacique électrique chargée positivement autour de leurs constituants… Je noterai là l’apparition d’un problème dont l’étude me semble fondamentale : celui de la constitution et de la perception des enveloppes. Cependant, dans l’histoire humaine traçable, le proton apparaît est seulement détecté il y a environ un siècle, grâce aux expériences de Rutherford bombardant des matériaux avec des particules issues de désintégrations radioactives+. 

 

Les sujets de préoccupation

Le rayon atomique+, le spin+, la stabilité et la masse+ de cette particule font l’objet de calculs et d’expériences dont les résultats parfois contradictoires ne permettent pas encore de les résumer de façon univoque par la rédaction d’une fiche d’identité incontestable.

 

Pourquoi est-ce important ?

Pourquoi toutes ces caractéristiques et les incertitudes qui les entourent ont-elles tant d’importance aux yeux des scientifiques ?

 

           le rayon 

Au niveau des grands principes : sa connaissance joue un rôle non négligeable dans les calculs d’interaction entre deux (ou plusieurs) particules. L’existence d’un hiatus entre deux mesures peut laisser supposer (peut-être à tort) de l’existence d’une particule intermédiaire de très petite taille.

 

La réalité : deux expériences différentes ne sont pas parvenues à la même mesure et l’écart est de l’ordre de 10% (entre 0,88 et 0,84 femtomètre) !

 

           le spin 

Au niveau des grands principes : la connaissance des étapes logiques (comprendre ici : les particules) liant les contenus (les quarks+ et les gluons+) au contenant apparent (le proton) relève de la mise en œuvre d’une logique rationnelle voulant que le tout s’explique par ses parties et par l’action d’un certain nombre de lois et d’interactions entre ces parties.

 

La réalité : le fait que la communauté scientifique ne soit pas encore en mesure d’énoncer ces étapes logiques -en particulier à cause de l’incertitude sur le rayon du proton- montre notre grande ignorance sur le sujet. En 2014, l’avis le mieux accepté attribuait à ses trois quarks constitutifs environ 35% du spin total du proton (Nuclear Physics+ B, 2014).

 

           la stabilité 

Au niveau des grands principes : une désintégration spontanée du proton serait la preuve expérimentale de l’existence d’une période passée pendant laquelle les interactions fortes, faibles et électromagnétiques auraient été unifiées. Du moins, c’est ce que le modèle standard permet de penser.

 

La réalité : pour l’heure aucune désintégration spontanée du proton+ connue.

 

           La masse 

Au niveau des grands principes : les théories actuelles, en particulier la chromodynamique quantique+, devraient livrer les éléments indispensables à sa connaissance.

 

La réalité : les trois quarks constituant un proton ne représentent que 9% de sa masse totale : où se cachent donc les 91% restants ? Les théories actuelles, y compris la chromodynamique quantique, ont longtemps été incapables d’apporter une réponse rationnelle à cette question parce que personne ne savait très bien résoudre les équations qu’elles introduisent. Les développements récents de la chromodynamique quantique « sur réseaux »+, peut-être avec l’aide des supercalculateurs, parvient désormais à éclairer l’énigme : 32% de l’énergie serait liée aux mouvements des quarks au sein de l’enveloppe protonique, 36% aux énergies de liaison portées par les gluons et 23% aux interactions quantiques entre quarks et gluons (SN+ ; numéro commun du 22 décembre 2018 et du 05 janvier 2019, p. 8).

 

© Thierry PERIAT, 16 janvier 2019.