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L'inconnu est sous nos yeux

Retour vers : Les sciences en action                                                                   page mise à jour le 17 mai 2018

Introduction

 Plutôt que de se concentrer sur les mésons, les neutrinos et le fameux boson de Higgs, certaines équipes ont choisi de réinterroger nos connaissances fondamentales sur le proton. Elles ont fait resurgir des problématiques dont on croyait qu'elles étaient résolues depuis longtemps (voir les trois exemples ci-dessous) !

Dans la version de la cosmologie fournie par le modèle standard, les protons apparaissent très vite, dès que l'univers s'est suffisamment refroidi pour qu'apparaisse une enveloppe surfacique chargée électriquement autour de leurs constituants... 

(remarque :  noterai là l'apparition d'un problème dont l'étude me semble fondamentale : celui de la constitution et de la perception des enveloppes).

Dans l'histoire humaine, le proton apparaît (est détecté) il y a environ un siècle, grâce aux expériences de Rutherford bombardant des matériaux avec des particules issues de désintégrations radioactives.

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 bien des êtres vivants ou inertes peuplant notre univers de myriades de particules élémentaires qu'on nomme le proton et dont les scientifiques ne cessent de se rendre compte qu'ils les connaissent très mal.

Partie 01 - Les caractéristiques du proton qui nous interrogent

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

  • le rayon : deux expériences ne parviennent pas à la même mesure et l'écart est de l'ordre de 10% (entre 0,88 et 0,84 femto-mètre) !
  • le spin : il est impossible de déduire le spin global du proton à partir du spin de ses quarks constitutifs !
  • la stabilité : personne n'a jamais observé la désintégration spontanée d'un proton !

Pourquoi toutes ces caractéristiques et le flou qui les entoure ont-ils tant d'importance aux yeux des scientifiques ?

  • le rayon : sa connaissance jour 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.
  • le spin : la connaissance de l'étape logique 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. Le fait que la communauté ne soit pas encore en mesure d'énoncer ces étapes logiques montre notre grande ignorance collective sur le sujet mais laisse le champ libre aux futurs chercheurs. Il semblerait que les gluons participent pour environ 35% au spin total du proton (Nuclear Physics B in 2014). De fait, les théories, y compris la chromodynamique quantique, ne sont que d'une aide très limitée pour les expérimentalistes puisque personne ne sait très bien résoudre les équations qu'elles manipulent. L'introduction et les développements récents de la chromodynamique quantique « sur réseaux », même avec l'aide des supercalculateurs, ne parvient pas non plus à résoudre l'énigme
  • La stabilité : 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. 

Partie 02 - une caractéristique oubliée : la pression interne des protons (17 mai 2018)

Pauvres protons : ces minuscules particules sont vraiment sous pression! Une étude récente vient de montrer à quel point les constituants interne d'un proton sont soumis à rude épreuve. La pression intérieure de ces particules composites (faites de trois quarks et de huit gluons) bat tous les records connus, y compris celui établi auparavant par les étoiles à neutrons ! Et ce, par un facteur dix. Le résultat n'est pas une surprise pour les théoriciens mais il constitue une première en ce sens qu'il résulte désormais d'une mesure expérimentale.

La connaissance de la distribution interne des pressions au sein d'un proton est longtemps restée un champ complètement inexploré. Toutes choses étant égales par ailleurs, le processus de confinement maintenant les éléments constitutifs d'un proton ensembles ressemble beaucoup à celui agissant au sein des étoiles. Les réactions internes (les fluctuations internes au proton, les réactions chimiques au sein d'une étoile) s'opposent sans cesse à une force de cohésion (l'interaction forte pour le proton, la gravitation pour l'étoile).

L'expérimentation elle-même date de 2015 mais son analyse est récente. Le bombardement d'hydrogène liquide par des électrons est un aspect de la manœuvre. La compréhension des phénomènes observés grâce à des algorithmes ad hoc en est un autre. Et les deux se complètent pour livrer une image réaliste de la réalité. Pour autant la puissance (insuffisante) du jet électronique n'a pas permis de tester le rôle des gluons et les conclusions fournies reposent donc sur une hypothèse théorique attribuant une importance égale aux quarks et aux gluons.

Il reste encore du travail pour de futures expérimentations! 

Sources

Première partie : https://www.sciencenews.org/article/theres-still-lot-we-dont-know-about-proton

Partie concernant la pression : V.D. Burkert, L. Elouadrhiri and F.X. Girod. The pressure distribution inside the proton. Nature. Vol. 557, May 17, 2018, p. 396. doi:10.1038/s41586-018-0060-z