structure du proton

Deux noyaux avec le même nombre de particules, mais avec une forme différente de manteau de neutrons, entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Le ruthénium-96 et le zirconium-96 sont comme deux jumeaux, dont l'un aurait un manteau légèrement plus épais.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

Les entrailles des étoiles à neutrons sont un royaume de matière dégénérée. Ici, les protons se condensent en un condensat supraconducteur, parcouru de tourbillons quantiques. Imaginez de minuscules toupies magnétiques : chacune porte un quantum de flux magnétique et glisse à travers le fluide électronique.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

Dans les accélérateurs, en faisant entrer en collision des noyaux lourds, les physiciens créent brièvement un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules, mais libres.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Une goutte de crème grasse dans un verre de lait. Si vous agitez, la graisse ne se répartit pas uniformément : elle forme des amas plus denses qui se déplacent différemment du reste du liquide. C'est à peu près ce que font les quarks à l'intérieur des mésons, ces particules minuscules qui ne vivent que des fractions de seconde.

À première vue, le noyau atomique est un appartement communautaire exigu où protons et neutrons (ensemble, on les appelle nucléons) vivent selon des règles strictes. Chacun occupe son orbite, comme les électrons dans l'atome, et en moyenne tout semble ordonné.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Un immeuble à plusieurs étages où vivent des protons et des neutrons à chaque niveau. Les étages représentent les niveaux d'énergie, et habituellement, entre le sixième étage et le suivant, il y a une cage d'escalier d'une certaine hauteur – ce qu'on appelle une lacune. Dans le noyau de l'atome d'oxygène-20, cette lacune joue le rôle d'une barrière difficile à franchir pour les particules.

Une réaction chimique ressemble au passage d'un tourniquet : la foule crée du chaos et se coince, tandis qu'une file ordonnée avance. Dans le monde quantique, pourtant, lorsque la bousculade s'apaise, la barrière peut devenir fantomatique — la particule la traverse comme si le tourniquet s'évanouissait.

Selon le modèle standard, le vide n'est pas un néant, mais un océan de particules virtuelles fantomatiques. Un champ électromagnétique surpuissant, telle une tempête, arrache des paires d'électrons et de positrons à la réalité.

Au Grand collisionneur de hadrons, ce ne sont pas seulement les noyaux qui entrent en collision, mais aussi des protons individuels. Même dans de si petits systèmes, on observe un comportement collectif semblable à l'écoulement d'un fluide.

Le proton semble être une petite boule compacte, mais à l'intérieur, ça bouillonne : les quarks échangent des gluons, les particules qui les collent. Les gluons apparaissent et disparaissent, et leur distribution dans le proton n'est pas qu'un détail curieux : c'est la clé des prédictions au Grand collisionneur de hadrons.

Le proton n'est pas une boule solide, mais un nuage bouillonnant de quarks et de gluons. Chaque particule porte son petit morceau de rotation, mais si l'on additionne tous les morceaux, on n'obtient pas tout le spin du proton.

Bien avant cela, Fritz Zwicky avait prédit qu'après l'explosion d'une supernova naissait une minuscule étoile à neutrons. Des années plus tard, Jocelyn Bell Burnell en a capté les pulsations, découvrant les pulsars.

À l'intérieur d'une pile à combustible, les protons doivent traverser rapidement le matériau solide, comme des passagers franchissant les tourniquets à l'heure de pointe. Si les tourniquets sont rares et étroits, le courant est faible.

L'élastique est tendu — et soudain, il claque. Dans le monde des atomes, on observe un phénomène similaire : la corde qui lie les particules peut se rompre. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont pris une chaîne d'atomes de Rydberg et ont suivi comment une telle corde se brise.

Le proton n'est pas une boule lisse, mais un enchevêtrement de particules plus petites en mouvement constant. Pour y voir à l'intérieur, les physiciens tirent des électrons sur le proton et observent comment ils rebondissent. Le nouvel instrument, le collisionneur électron-ion, fera cela avec une précision inédite.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

Dix microsecondes après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une casserole de bouillon bouillant. Des quarks et des gluons y flottaient — les particules qui, plus tard, s'assembleraient en protons et en neutrons. Le bouillon refroidissait, et à un moment donné, les quarks se sont collés en petits paquets — ces fameux protons et neutrons dont toute la matière visible est constituée.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.