« Le noyau atomique/Les nucléons : protons et neutrons, quarks et gluons » : différence entre les versions

Les nucléons sont eux-mêmemêmes composés de particules plus élémentaires : les quarks et les gluons. Les quarks et gluons ne sont pas eux-mêmes composés de particules plus petites, du moins dans l'état actuel de nos connaissances : on dit que ce sont de particules élémentaires. Il existe six sortes de '''quarks''', appelées quarks ''up'', ''down'', ''strange'', ''charm'', ''bottom'' et ''top''. Ils se différencient par leur charge électrique, ainsi que par d'autres propriétés physiques liées à la physique quantique (saveur, charge de couleur, ...). AÀ noter que chaque quarksquark est associé à un anti-quark (Pour rappel, les anti-particule sont à opposer aux particules normales : chaque particule est associée à une anti-particule dont les propriétés sont strictement inverses, à l'exception de la masse et du spin). La charge électrique des quarks et anti-quarks est une fraction de la charge électrique élémentaire <math>e</math> (qui est, pour rappel, la charge de l'électron) : elle vaut soit le tiertiers, soit les deux tiers de e.

Les quarks sont sensibles à une interaction appelée '''interaction forte''', qui fait que les quarks s'attirent ou se repoussent. Il ne s'agit pas d'une interaction électrique, magnétique ou gravitaire, mais d'une interaction séparée, spécifique aux quarks et à quelques autres particules composées de quarks. Elle est liée à une propriété qu'ont les quarks, qui agit comme un équivalent de ce qu'est la masse pour la gravité ou la charge électrique pour l'électromagnétisme. Par analogie avec l’électromagnétisme, cette propriété s'appelle la '''charge de couleur'''. Mais les ressemblances s’arrêtent là et il existe de nombreuses différences entre charge électrique et charge de couleur. Par exemple, la charge de couleur ne peut prendre que trois valeurs, là où masse et charge électrique sont moins limitées. Les trois valeurs de la charge de couleur sont appeléeappelées respectivement : rouge, vert et bleu. Les anti-quarks ont quant à eux une anti-couleur, qui peut prendre les trois valeurs anti-rouge, anti-vert et anti-bleu. Les couleurs et anti-couleurs peuvent se mélanger, donnant les résultats illustrés ci-dessous. On voit que les mélanges obtenus sont analogues aux mélanges des couleurs primaires.

Si on a utilisé des noms de couleur pour la charge de couleur, c'est en raison d'une de ses propriétés. Les particules formées de quarks et d'anti-quarks ont elles aussi une couleur, qui est la "somme" des couleurs de chaque quark/anti-quark. Et les règles de cette somme ressemblent à l'addition des couleurs rouge, vert et bleu. Quand des quarks s'assemblent pour former des particules, la couleur de la particule obtenue est toujours blanche. Par exemple, un méson sera de couleur blanche : le quark aura une couleur et l'anti-quark l'anti-couleur associée. Une couleur est annulée par l'addition de son anti-couleur. Un hadron contient toujours un quark rouge, un autre vert et un autre bleu : sa couleur finale est donc le blanc. Et ainsi de suite. Il est impossible de trouver des particules colorées dans la nature, sans qu'elles fassefassent partie de particules composites de couleur blanche. En clair, on ne peut pas trouver de quarksquark isolé, raison pour laquelle cette propriété s'appelle la '''propriété de confinement'''.

Cette propriété de confinement se traduit par la conservation d'un nombre : le '''nombre baryonique'''. Celui-ci est simplement la différence entre nombre de quarks et d'anti-quarks, divisée par trois. Les mésons, qui ont autant de quarks que d'anti-quarks, onont un nombre baryonique nul. Les baryons ont obligatoirement un nombre de quarks/anti-quarks multiple de trois, vu que les trois couleurs doivent s'annihiler pour donner du blanc. Ainsi, les particules avec un nombre baryonique non-entier ne peuvent pas exister.

'''Masse''' : Protons et neutrons sont des particules dont la masse est très faible, de l'ordre du milliardième de milliardième de milliardième de grammes ! Autant dire que travailler avec les unités usuelles (le gramme, le kilogramme) n'est pas aisé quand on parle des nucléons. Aussi les physiciens utilisent une autre unité : l'électron-volt. Cette unité se base sur l'équivalence entre masse et énergie découverte par Einstein, à savoir la fameuse équation <math>E=Mc^2</math>. L'électron-volt correspond à l'énergie que possède un électron quand il est soumis à une tension de 1 Voltvolt, normalisée en unité de masse (à savoir, cette énergie divisée par c².

'''Polarisabilité électrique''' : Protons et neutrons peuvent se polariser électriquement, à savoir qu'on observe l'apparition d'uneun polepôle positif et d'un polepôle négatif quand on les soumet à un champ électrique. Ce comportement est lié au fait que les quarks sont chargés. Quand on les soumetssoumet à un champ électrique, la répartition des charges est modifiée : les quarks positifs sont attirés de la source du champ, alors que les quarks négatifs sont repoussés (ou l'inverse selon la polarité du champ). Les quarks positifs s'accumulent d'un cotécôté alors que les négatifs s'empilent de l'autre, ce qui donne naissance à un polepôle positif et un polepôle négatif.

'''Spin''' : Les nucléons possèdent une propriété particulière, qui s'appelle le '''spin'''. Pour simplifier, ils tournent sur eux-mêmemêmes, ce qui leur donne un moment cinétique qui n'est autre que le spin. Le spin est représenté par un vecteur qui ne peut prendre que deux directions différentes (vers le haut ou vers le bas). Pour les protons et les neutrons, ce vecteur a une norme qui vaut <math>\frac{1}{2}</math>. Cela fait donc deux possibilités pour le spin d'un nucléon : <math>+ \frac{1}{2}</math> (nucléon orienté vers le haut) et <math>- \frac{1}{2}</math> (nucléon orienté vers le bas). Le spin des nucléons vient du fait que les quarks en ont un : ils tournent sur eux-mêmes, ce qui leur donne un moment magnétique dipolaire. Le spin d'un nucléon est la somme des spinspins des quarks qui le composent.

'''Moment magnétique''' : Les nucléons se comportent comme de minuscules aimants et ont un polepôle nord et un polepôle sud : on dit qu'ils ont un moment magnétique dipolaire. Pour le proton, on peut l'expliquer par un fait simple : le proton est chargé. Or, toute charge électrique qui tourne sur elle-même forme une boucle de courant, et les lois de l'électromagnétisme nous disent que cette boucle génère un champ magnétique. La logique est différentesdifférente pour le neutron, qui est électriquement neutre. En réalité, cela vient du fait que les nucléons sont composés de particules chargées qui ont un spin. Le champ magnétique des nucléons est en réalité la somme des champs créés par chaque particule dans le proton ou le neutron. Le champ magnétique produit par les nucléons est très petit, mais il est exploité dans certaines techniques d'imagerie médicale (l'IRM). La valeur du moment magnétique <math>\vec{\mu}_L</math> se calcule à partir du spin <math>S</math> avec la formule qui suit :

'''Durée de vie''' : Les protons ont une durée de vie qui est supposée infinie, personne n'ayant observé de désintégration de protons. Le modèle standard (la théorie qui résume le mieux la physique des particules) dit que le proton est parfaitement stable et qu'il ne peut pas se désintégrer. Mais des théories physiques très élaborées prédisent que le protonsproton se désintégrerait en plusieurs millions de milliard de milliards de milliards d'années (<math>10^32</math> années environ). Pour le neutron, la situation est encore plus intriguanteintrigante : les neutrons sont stables dans les noyaux atomiques, mais se désintègrent spontanément en- dehors en moins de 15 minutes. Cette désintégration donne un proton et un électron, secondés par d'autres particules. Nous reparlerons de cette désintégration dans quelques chapitres.