Protons et neutrons: encombrement à l'intérieur de la matière

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une toute petite collection de particules appelées protons et neutrons. Dans cet article, nous étudierons la nature des protons et des neutrons, constitués de particules de taille encore plus petite - quarks, gluons et antiquarks. (Les gluons, comme les photons, sont des antiparticules de leur propre gré). Les quarks et les gluons, à notre connaissance, peuvent être vraiment élémentaires (indivisibles et non constitués de quelque chose de plus petit). Mais pour eux plus tard.

Étonnamment, la masse de protons et de neutrons est presque la même - jusqu'à un pourcentage:

• 0,93827 GeV / s ² au proton,
• 0,93957 GeV / s ² au neutron.

C'est la clé de leur nature - ils sont en fait très similaires. Oui, il y a une différence évidente entre eux: le proton a une charge électrique positive, et le neutron n'a pas de charge (il est neutre, d'où son nom). En conséquence, les forces électriques agissent sur le premier, mais pas sur le second. À première vue, cette différence semble très importante! Mais en réalité, ce n'est pas le cas. Dans tous les autres sens, un proton avec un neutron est presque un jumeau. Ils sont identiques non seulement aux masses, mais aussi à la structure interne.

Parce qu'ils sont si similaires et que les noyaux sont constitués de ces particules, les protons et les neutrons sont souvent appelés nucléons.

Les protons ont été identifiés et décrits vers 1920 (bien qu'ils aient été découverts plus tôt; le noyau d'un atome d'hydrogène n'est qu'un proton séparé), et des neutrons ont été trouvés quelque part en 1933. Le fait que les protons et les neutrons soient si similaires les uns aux autres, ils l'ont compris presque immédiatement. Mais ils ne savaient pas qu'ils avaient une taille mesurable comparable à la taille du noyau (environ 100 000 fois plus petite que l'atome de rayon) jusqu'en 1954. Le fait qu'ils se composent de quarks, d'antiquarks et de gluons a été progressivement compris du milieu des années 1960 au milieu des années 1970. À la fin des années 70 et au début des années 80, notre compréhension des protons, des neutrons et de leur composition s'est en grande partie stabilisée et est restée inchangée depuis.

Les nucléons sont beaucoup plus difficiles à décrire que les atomes ou les noyaux. Pour ne pas dire que les atomes sont fondamentalement simples , mais au moins vous pouvez dire sans hésitation qu'un atome d'hélium est constitué de deux électrons qui sont en orbite autour d'un minuscule noyau d'hélium; et le noyau d'hélium est un groupe assez simple de deux neutrons et de deux protons. Mais avec les nucléons, tout n'est pas si simple. J'ai déjà écrit dans l'article " Qu'est-ce qu'un proton et qu'est-ce qu'il contient? " Que l'atome ressemble à un menuet élégant et que le nucléon ressemble à une fête sauvage.

La complexité du proton et du neutron est apparemment très ambitieuse et ne découle pas de connaissances physiques incomplètes. Nous avons des équations utilisées pour décrire les quarks, les antiquarks et les gluons, ainsi que les fortes interactions nucléaires qui se produisent entre eux. Ces équations sont appelées QCD, de la " chromodynamique quantique ". La précision des équations peut être vérifiée de différentes manières, notamment en mesurant le nombre de particules apparaissant au Grand collisionneur de hadrons. En substituant les équations QCD dans un ordinateur et en démarrant les calculs des propriétés des protons et neutrons et autres particules similaires (avec le nom général de «hadrons»), nous obtenons des prédictions des propriétés de ces particules, qui sont très proches des observations faites dans le monde réel. Par conséquent, nous avons des raisons de croire que les équations QCD ne mentent pas et que notre connaissance du proton et du neutron est basée sur les équations correctes. Mais avoir les bonnes équations ne suffit pas, car:

• Les équations simples peuvent avoir des solutions très complexes,
• Il est parfois impossible de décrire de manière simple des solutions complexes.

Pour autant que nous puissions en juger, c'est le cas des nucléons: ce sont des solutions complexes à de simples équations QCD, et il n'est pas possible de les décrire avec quelques mots ou images.

En raison de la complexité interne des nucléons, vous, le lecteur, devrez faire un choix: combien voulez-vous en savoir plus sur la complexité décrite? Peu importe jusqu'où vous allez, cela ne vous apportera probablement pas de satisfaction: plus vous en saurez, plus le sujet vous sera compréhensible, mais la réponse finale restera la même - le proton et le neutron sont très complexes. Je peux vous offrir trois niveaux de compréhension, avec une augmentation des détails; vous pouvez vous arrêter après n'importe quel niveau et passer à d'autres sujets, ou vous pouvez plonger jusqu'au dernier. En ce qui concerne chaque niveau, des questions se posent, les réponses auxquelles je peux partiellement donner dans le suivant, mais de nouvelles réponses soulèvent de nouvelles questions. En fin de compte - comme je le fais lors de discussions professionnelles avec des collègues et des étudiants avancés - je ne peux que vous renvoyer aux données obtenues lors d'expériences réelles, à divers arguments théoriques influents et à des simulations informatiques.

Premier niveau de compréhension

De quoi sont faits les protons et les neutrons?


Fig. 1: une version trop simplifiée de protons composés de seulement deux quarks supérieurs et d'un quark inférieur, et de neutrons composés de seulement deux quarks inférieurs et d'un supérieur

Pour simplifier la question, de nombreux livres, articles et sites Web indiquent que les protons se composent de trois quarks (deux supérieurs et un inférieur) et dessinent quelque chose comme du riz. 1. Le neutron est le même, composé uniquement d'un quarks supérieur et de deux quarks inférieurs. Cette image simple illustre ce que certains savants croyaient, principalement dans les années 1960. Mais il est vite devenu évident que ce point de vue était trop simplifié au point qu'il n'était plus correct.

À partir de sources d'informations plus sophistiquées, vous constaterez que les protons se composent de trois quarks (deux supérieurs et un inférieur) maintenus ensemble par des gluons - et il peut apparaître une image similaire à la Fig. 2, où les gluons sont dessinés sous forme de ressorts ou de fils retenant des quarks. Les neutrons sont les mêmes, avec un seul quark supérieur et deux inférieurs.


Fig. 2: amélioration de la fig. 1 en raison de l'accent mis sur le rôle important d'une forte interaction nucléaire qui maintient les quarks dans un proton

Ce n'est pas une si mauvaise façon de décrire les nucléons, car cela met l'accent sur le rôle important d'une forte interaction nucléaire, qui détient des quarks dans un proton car les gluons (tout comme un photon, une particule, dont la lumière est faite) est lié à l'interaction électromagnétique. Mais c'est aussi déroutant, car cela n'explique pas vraiment ce que sont les gluons et ce qu'ils font.

Il y a des raisons d'aller de l'avant et de décrire les choses comme je l'ai fait dans d' autres articles : un proton se compose de trois quarks (deux supérieurs et un inférieur), un tas de gluons et des montagnes de paires quark-antiquark (principalement ce sont les quarks supérieur et inférieur, mais il y en a plusieurs bizarre). Ils volent tous d'avant en arrière à une vitesse très élevée (approchant la vitesse de la lumière); cet ensemble est maintenu en place par une forte interaction nucléaire. Je l'ai démontré sur la fig. 3. Les neutrons sont à nouveau les mêmes, mais avec un quarks supérieur et deux inférieurs; le quark affilié est indiqué par une flèche.


Fig. 3: une image plus réaliste, quoique encore imparfaite, des protons et des neutrons

Ces quarks, antiquarks et gluons non seulement se précipitent sauvagement d'avant en arrière, mais entrent également en collision les uns avec les autres et se transforment en des processus tels que l'annihilation des particules (dans laquelle un quark et un antiquark du même type se transforment en deux gluons, ou vice versa) absorption et émission de gluon (dans lequel un quark et un gluon peuvent entrer en collision et générer un quark et deux gluons, ou vice versa).

Ce que ces trois descriptions ont en commun:

• Les deux quarks supérieurs et le quark inférieur (plus autre chose) ont un proton.
• Un quark supérieur et deux quarks inférieurs (plus autre chose) ont un neutron.
• «Quelque chose d'autre» pour les neutrons coïncide avec «autre chose» pour les protons. Autrement dit, les nucléons «ont autre chose» de même.
• Une petite différence de masse entre le proton et le neutron apparaît en raison de la différence de masse entre le quark inférieur et le quark supérieur.

Et depuis:

• dans les quarks supérieurs, la charge électrique est de 2/3 e (où e est la charge de proton, -e est la charge d'électron),
• dans les quarks inférieurs, la charge est de -1 / 3e,
• les gluons ont une charge de 0,
• tout quark et son antiquark correspondant ont une charge totale de 0 (par exemple, le quark anti-bas a une charge de + 1 / 3e, de sorte que la charge pour le quark inférieur et l'antiquark inférieur est de –1/3 e +1/3 e = 0),

Chaque figure relie la charge électrique du proton au compte des deux quarks supérieur et inférieur, et «quelque chose d'autre» ajoute à la charge 0. De la même manière, le neutron n'a aucune charge due à un quarks supérieur et deux inférieurs:

• la charge électrique totale du proton est de 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
• la charge électrique totale du neutron est de 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.

Ces descriptions diffèrent par les suivantes:

• combien "d'autre chose" à l'intérieur du nucléon,
• que fait-il là
• d'où proviennent la masse et l'énergie de la masse (E = mc ² , l'énergie présente là, même lorsque la particule est au repos) nucléon.

Étant donné que la majeure partie de la masse d'un atome, et donc de toute la matière ordinaire, est contenue dans les protons et les neutrons, le dernier point est extrêmement important pour une compréhension correcte de notre nature.

Fig. 1 indique que les quarks, en fait, représentent un tiers du nucléon - à peu près de la même manière qu'un proton ou un neutron représente un quart du noyau d'hélium ou 1/12 du noyau de carbone. Si ce schéma était vrai, les quarks dans le nucléon se déplaceraient relativement lentement (avec des vitesses beaucoup plus faibles que la lumière) avec des interactions relativement faibles agissant entre eux (bien qu'avec une force puissante les maintenant en place). La masse du quark, supérieure et inférieure, serait alors de l'ordre de 0,3 GeV / s ² , soit environ un tiers de la masse du proton. Mais cette image simple et les idées qui leur sont imposées sont tout simplement incorrectes.

Fig. 3. donne une idée complètement différente d'un proton en tant que chaudière de particules qui s'y précipitent à des vitesses proches de la lumière. Ces particules entrent en collision les unes avec les autres, et dans ces collisions certaines d'entre elles s'annihilent, tandis que d'autres sont créées à leur place. Les gluons n'ont pas de masse, les masses des quarks supérieurs sont de l'ordre de 0,004 GeV / s ² , et les inférieures de l'ordre de 0,008 GeV / s ² sont des centaines de fois plus petites que le proton. La provenance de l'énergie de masse des protons est une question complexe: une partie provient de l'énergie de masse des quarks et des antiquarks, une partie de l'énergie de mouvement des quarks, des antiquarks et des gluons, et une partie (éventuellement positive, éventuellement négative) de l'énergie stockée dans une forte interaction nucléaire, tenant les quarks, les antiquarks et les gluons ensemble.

Dans un sens, la fig. 2 essaie d'éliminer la différence entre la fig. 1 et fig. 3. Il simplifie la fig. 3, supprimant de nombreuses paires quark-antiquark, qui, en principe, peuvent être appelées éphémères, car elles apparaissent et disparaissent constamment et ne sont pas nécessaires. Mais cela donne l'impression que les gluons dans les nucléons sont une partie directe de la forte interaction nucléaire qui contient les protons. Et elle n'explique pas d'où vient la masse du proton.

Dans la fig. 1 il existe un autre inconvénient, à l'exception des cadres étroits du proton et du neutron. Il n'explique pas certaines des propriétés d'autres hadrons, par exemple le pion et le p-méson . Le riz a les mêmes problèmes. 2.

Ces restrictions ont conduit au fait que mes élèves et sur mon site, je donne une photo avec du riz. 3. Mais je tiens à vous avertir qu'elle a également de nombreuses restrictions, que j'examinerai plus tard.

Il convient de noter que l'extrême complexité de la structure, la figure implicite. 3, on pourrait s'attendre à un objet qui est maintenu par une force aussi puissante qu'une forte interaction nucléaire. Et encore une chose: trois quarks (deux supérieurs et un inférieur au niveau du proton), qui ne font pas partie du groupe de paires de quarks antiquark, sont souvent appelés "quarks de valence", et les paires de quarks antiquark sont souvent appelées la "mer de paires de quarks". Une telle langue est techniquement pratique dans de nombreux cas. Mais cela donne la fausse impression que si vous pouviez regarder à l'intérieur du proton et regarder un certain quark, vous pourriez immédiatement dire s'il fait partie de la mer ou de la valence. Cela ne peut pas être fait, il n'y a tout simplement pas de telle manière.

Masse protonique et masse neutronique

Étant donné que les masses du proton et du neutron sont si similaires et que le proton et le neutron ne diffèrent que par le remplacement du quark supérieur par le quark inférieur, il semble probable que leurs masses soient fournies de la même manière, proviennent de la même source, et leur différence est une légère différence entre les quarks supérieur et inférieur . Mais les trois figures montrées indiquent la présence de trois vues très différentes sur l'origine de la masse de protons.

Fig. 1 indique que les quarks supérieurs et inférieurs ne représentent que 1/3 de la masse du proton et du neutron: de l'ordre de 0,313 GeV / s ² , ou à cause de l'énergie nécessaire pour maintenir les quarks dans le proton. Et puisque la différence entre les masses du proton et du neutron est une fraction d'un pour cent, la différence entre les masses des quarks supérieurs et inférieurs devrait également être une fraction d'un pour cent.

Fig. 2 est moins clair. Quelle partie de la masse de protons est due aux gluons? Mais, en principe, il résulte de la figure que la majeure partie de la masse de protons provient encore de la masse des quarks, comme sur la Fig. 1.

Fig. 3 reflète une approche plus subtile de l'apparence réelle de la masse de protons (comme nous pouvons le vérifier directement par des calculs informatiques du proton, et non en utilisant directement d'autres méthodes mathématiques). Elle est très différente des idées présentées dans la Fig. 1 et 2, et il s'avère que ce n'est pas si simple.

Pour comprendre comment cela fonctionne, il faut penser non pas en termes de masse de protons m, mais en termes d'énergie de masse E = mc ² , l'énergie associée à la masse. La question conceptuellement correcte n'est pas «d'où vient la masse de protons m», après quoi vous pouvez calculer E en multipliant m par c ² , mais vice versa: «d'où vient l'énergie de masse de protons E», après quoi vous pouvez calculer la masse m, en divisant E par c ² .

Il est utile de classer les contributions à l'énergie de masse des protons en trois groupes:

A) L'énergie de la masse (énergie de repos) des quarks et antiquarks qu'elle contient (gluons, particules sans masse, ne contribuent pas).
B) L'énergie de mouvement (énergie cinétique) des quarks, antiquarks et gluons.
C) L'énergie d'interaction (énergie de liaison ou énergie potentielle) stockée dans une forte interaction nucléaire (plus précisément, dans les champs de gluons) qui contient le proton.

Fig. 3 indique que les particules à l'intérieur du proton se déplacent à grande vitesse et qu'il est plein de gluons sans masse, donc la contribution de B) est supérieure à A). Habituellement, dans la plupart des systèmes physiques, B) et C) sont comparables, tandis que C) est souvent négatif. Ainsi, l'énergie de masse du proton (et du neutron) est principalement obtenue à partir d'une combinaison de B) et C), et A) contribue à une petite fraction. Par conséquent, les masses du proton et du neutron n'apparaissent principalement pas à cause des masses des particules qu'elles contiennent, mais à cause des énergies de mouvement de ces particules et de l'énergie de leur interaction associée aux champs de gluons qui génèrent les forces retenant le proton. Dans la plupart des autres systèmes que nous connaissons, le bilan énergétique est distribué différemment. Par exemple, dans les atomes et dans le système solaire, A) domine, et B) et C) sont beaucoup plus petits et d'une ampleur comparable.

En résumé, nous indiquons que:

• Fig. 1 suggère que l'énergie de masse du proton provient de la contribution de A).
• Fig. 2 suppose que les contributions A) et B) sont importantes, et B) fait une petite partie de sa part.
• Fig. 3 suggère que B) et C) sont importants, et la contribution de A) est insignifiante.

Nous savons que la fig. 3. Pour le tester, nous pouvons effectuer des simulations informatiques, et, plus important encore, grâce à divers arguments théoriques convaincants, nous savons que si les masses des quarks supérieurs et inférieurs étaient nulles (et tout le reste resté tel quel), la masse du proton allait changer. Ainsi, apparemment, les masses de quarks ne peuvent pas apporter de contributions importantes à la masse du proton.

Si pic. 3 ne ment pas, les masses du quark et de l'antiquark sont très petites. À quoi ressemblent-ils vraiment? La masse du quark supérieur (ainsi que de l'antiquark) ne dépasse pas 0,005 GeV / s ² , ce qui est bien inférieur à 0,313 GeV / s ² , ce qui découle de la Fig. 1. (La masse du quark supérieur est difficile à mesurer, et cette valeur change en raison d'effets subtils, de sorte qu'elle peut être bien inférieure à 0,005 GeV / s ² ). La masse du quark inférieur est d'environ 0,004 GeV / s ^{2 de} plus que la masse du quark supérieur. Cela signifie que la masse de tout quark ou antiquark ne dépasse pas un pour cent de la masse du proton.

Veuillez noter que cela signifie (contrairement à la Fig. 1) que le rapport de la masse du quark inférieur à celui du supérieur n'approche pas de l'unité! La masse du quark inférieur est au moins le double de la masse du quark supérieur. La raison pour laquelle les masses du neutron et du proton sont si similaires n'est pas parce que les masses des quarks supérieurs et inférieurs sont similaires, mais parce que les masses des quarks supérieurs et inférieurs sont très petites - et la différence entre elles est petite, par rapport aux masses du proton et du neutron. N'oubliez pas que pour convertir un proton en neutron, il vous suffit de remplacer l'un de ses quarks supérieurs par celui du bas (Fig. 3). Ce remplacement suffit pour alourdir le neutron un peu plus que le proton et faire passer sa charge de + e à 0.

Soit dit en passant, le fait que diverses particules à l'intérieur d'un proton entrent en collision les unes avec les autres, et apparaissent et disparaissent constamment, n'affecte pas les choses dont nous discutons - l'énergie est stockée dans toute collision. L'énergie de la masse et l'énergie de mouvement des quarks et des gluons peuvent changer, ainsi que l'énergie de leur interaction, mais l'énergie totale du proton ne change pas, bien que tout ce qu'il contient change constamment. La masse du proton reste donc constante, malgré son vortex interne.

À ce stade, vous pouvez arrêter et absorber les informations reçues. Incroyable! Presque toute la masse contenue dans la matière ordinaire provient de la masse des nucléons dans les atomes. Et la majeure partie de cette masse provient du chaos inhérent aux protons et aux neutrons - de l'énergie du mouvement des quarks, des gluons et des antiquarks dans les nucléons, et de l'énergie du travail des interactions nucléaires fortes qui maintiennent le nucléon dans l'état entier. Oui: notre planète, nos corps, notre respiration sont le résultat d'un encombrement si calme et, jusqu'à récemment, inimaginable.