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La déformabilité du proton
Publié le 4 janvier 2021 – Mis à jour le 4 janvier 2021
Un texte de la Minute Recherche par Hélène Fonvieille (LPC, unité mixte de recherche CNRS / Université Clermont Auvergne).
Le proton est le noyau de l’atome le plus simple, celui de l’hydrogène. Pour autant, le proton n’est pas une particule élémentaire, il possède une structure interne. Cette structure peut-elle être déformée par une action extérieure ? Certaines expériences permettent d'apporter des éléments de réponse.
Les collisions entre particules sont l'outil du physicien pour percer les secrets du monde subatomique. On s'intéresse ici au cas d'un proton, sur lequel on envoie une autre particule, plus
ou moins violemment. Lorsque l'on frappe le proton avec beaucoup d'énergie, il se casse en mille morceaux. C'est le cas des collisions au LHC (le Large Hadron Collider du CERN).
Lorsque l'on frappe un proton avec beaucoup moins d'énergie, il peut par exemple passer dans un état excité pendant quelques 10-23s, puis il redevient lui-même en émettant le surplus d'énergie sous forme d'une particule légère, que l'on appelle un méson π .
Mais que se passe-t-il lorsque l'on frappe un proton avec encore moins d'énergie, "tout doucement" ? On peut utiliser comme projectile un photon, qui rebondit sur la particule en lui cédant juste un peu de son énergie: c'est la « diffusion Compton ». Le proton passe alors pendant un très court instant par un état spécial où sa structure est déformée : elle se ''polarise'' dans le champ électromagnétique induit par le photon. Ce phénomène, caractérisé par un ensemble de « polarisabilités », se retrouve aussi à d’autres échelles, que ce soit celle des atomes, des molécules ou de certains matériaux macroscopiques (pour lesquels on parle de "susceptibilité").
On mesure les polarisabilités du proton depuis cinquante ans, de plus en plus précisément. Elles sont très petites, car le proton est très peu déformable. Depuis une vingtaine d'années, le formalisme permet d'aller plus loin et d'étudier leur répartition spatiale: est-ce plutôt un phénomène "de coeur" ou "de périphérie" ?
Pour le savoir, il suffit de remplacer le photon-projectile par un photon dit ''virtuel'', que l'on produit à partir d'un faisceau d'électrons. De telles mesures sont encore rares, mais elles
montrent déjà nettement que le phénomène de polarisabilité du proton s'étend sur des distances environ deux fois plus grandes que la distribution de charge électrique de la
particule. Cela semble corroborer l'image traditionnelle du proton comme étant composé d’un ''coeur dur'' de quarks et de gluons, entouré d'un ''nuage'' de mésons π virtuels à plus
grand rayon. Cette dernière composante (pion cloud en anglais), bien qu'invoquée constamment dans notre domaine de physique, est aussi difficile à cerner que le Chat du Cheshire.
Elle semble toutefois se manifester au grand jour dans les polarisabilités du proton !
- https://www.youtube.com/watch?v=OhsFdM4Ddcw
- https://www.youtube.com/watch?v=RxZtGLkSyHw
- H.Fonvieille, Lecture à SFB Physics School, Boppard, Allemagne (2017) https://indico.mitp.unimainz.de/event/89/contributions/2748/attachments/2188/2297/Fonvieille-Lecture-VCS.pdf
Les collisions entre particules sont l'outil du physicien pour percer les secrets du monde subatomique. On s'intéresse ici au cas d'un proton, sur lequel on envoie une autre particule, plus
ou moins violemment. Lorsque l'on frappe le proton avec beaucoup d'énergie, il se casse en mille morceaux. C'est le cas des collisions au LHC (le Large Hadron Collider du CERN).
Lorsque l'on frappe un proton avec beaucoup moins d'énergie, il peut par exemple passer dans un état excité pendant quelques 10-23s, puis il redevient lui-même en émettant le surplus d'énergie sous forme d'une particule légère, que l'on appelle un méson π .
Mais que se passe-t-il lorsque l'on frappe un proton avec encore moins d'énergie, "tout doucement" ? On peut utiliser comme projectile un photon, qui rebondit sur la particule en lui cédant juste un peu de son énergie: c'est la « diffusion Compton ». Le proton passe alors pendant un très court instant par un état spécial où sa structure est déformée : elle se ''polarise'' dans le champ électromagnétique induit par le photon. Ce phénomène, caractérisé par un ensemble de « polarisabilités », se retrouve aussi à d’autres échelles, que ce soit celle des atomes, des molécules ou de certains matériaux macroscopiques (pour lesquels on parle de "susceptibilité").
On mesure les polarisabilités du proton depuis cinquante ans, de plus en plus précisément. Elles sont très petites, car le proton est très peu déformable. Depuis une vingtaine d'années, le formalisme permet d'aller plus loin et d'étudier leur répartition spatiale: est-ce plutôt un phénomène "de coeur" ou "de périphérie" ?
Pour le savoir, il suffit de remplacer le photon-projectile par un photon dit ''virtuel'', que l'on produit à partir d'un faisceau d'électrons. De telles mesures sont encore rares, mais elles
montrent déjà nettement que le phénomène de polarisabilité du proton s'étend sur des distances environ deux fois plus grandes que la distribution de charge électrique de la
particule. Cela semble corroborer l'image traditionnelle du proton comme étant composé d’un ''coeur dur'' de quarks et de gluons, entouré d'un ''nuage'' de mésons π virtuels à plus
grand rayon. Cette dernière composante (pion cloud en anglais), bien qu'invoquée constamment dans notre domaine de physique, est aussi difficile à cerner que le Chat du Cheshire.
Elle semble toutefois se manifester au grand jour dans les polarisabilités du proton !
Schéma de la polarisabilité électrique d'un atome. Au repos, le centre des charges "+" (le noyau atomique, en bleu) et le centre des charges "-" (le cortège électronique, en rouge) coïncident. En présence d'un champ électrique E, les deux centres de gravité s'écartent l'un de l'autre, créant ce que l'on appelle un dipôle, caractérisé par une polarisabilité électrique.
Figure tirée de https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Dielectric_polarization_fr.svg . Pour le proton, le même type de phénomène se produit, au niveau de ses composants internes.
Pour en savoir plus
- 3 Vidéos en anglais sur la polarisabilité électrique des molécules :
- https://www.youtube.com/watch?v=OhsFdM4Ddcw
- https://www.youtube.com/watch?v=RxZtGLkSyHw
- 2 Exposés scientifiques :
- H.Fonvieille, Lecture à SFB Physics School, Boppard, Allemagne (2017) https://indico.mitp.unimainz.de/event/89/contributions/2748/attachments/2188/2297/Fonvieille-Lecture-VCS.pdf
- 1 vidéo en francais sur la structure du proton :
Référence
J.Bericic et al., "New insight in the $Q^2$ dependence of proton generalized polarizabilities", Phys.Rev.Lett. 123 (2019) no.19, 192302; e-Print: arXiv:1907.09954