Avec le LHC, au Cern, les physiciens accélèrent des protons pour les faire entrer en collision. © Maximilien Brice, CERN

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Proton

DéfinitionClassé sous :physique , protons , physique des particules
 

Le proton est une des particules subatomiques appelées nucléons. Avec le neutron, il constitue le noyau des atomes. Ce n'est pas une particule élémentaire car elle est constituée de trois particules plus petites appelées quarks. Celles-ci sont liées entre elles par la force nucléaire forte décrite par des équations analogues à celles de l'électromagnétisme. La théorie décrivant cette force est la chromodynamique quantique ou QCD (de l'anglais Quantum ChromoDynamics). Elle prédit l'existence de cousins des photons que l'on appelle des gluons associés aux champs des forces de la QCD.

Le proton est une particule chargée positivement. Cette charge est en valeur absolue identique à celle de l'électron et à celle de son antiparticule chargée négativement, l'antiproton. Les quarks qui constituent le proton, deux quarks up et un quark down portent des charges électriques dont les valeurs sont des fractions de la charge électrique élémentaire du proton et de l'électron.

Les quarks, les gluons et les nucléons. © CEA Sciences

Les propriétés du proton

La masse du proton est d'environ 938,2721 MeV/c2 en unité d'énergie adaptée à la physique des particules ce qui équivaut à 1,672 649×10-27 kg. Cette masse est très majoritairement due à l'énergie échangée sous forme de gluons entre les quarks et elle ne doit donc presque rien à leurs masses ni à l'existence du boson de Higgs. On peut calculer cette masse avec les équations de la QCD mais cela nécessite des supercalculateurs.

Comme le neutron, l'électron et les quarks, le proton est un fermion portant un moment cinétique intrinsèque, un spin, valant ½ dans l'unité donnée par la constante de Planck. Il fait partie du groupe des hadrons, les particules sensibles aux interactions fortes. Ces forces confinent les quarks dans les protons de sorte qu'on ne peut les observer à l'état de particules libres, ce qui a laissé penser pendant un moment que les protons étaient des particules élémentaires.

Pour autant qu'on le sache, un proton isolé est stable bien que certaines théories dites de Grande Unification, les GUT, prédisent le contraire mais seulement au bout d'un temps extrêmement long. Par contre, certains noyaux peuvent se désintégrer en donnant un neutron, un positron et un neutrino du fait de l'existence de la force nucléaire faible.

Le prix Nobel de physique Ernest Rutherford dans son laboratoire à Montréal en 1905. © McGill University

Origine du nom proton

Le terme « proton » a commencé à être employé couramment dans la littérature scientifique à partir de 1920 suite aux travaux et aux propositions de Rutherford qui avait découvert l'existence du noyau des atomes et démontré ensuite qu'ils contenaient des noyaux d'hydrogène. Or, dès 1815, le chimiste et médecin britannique William Prout avait justement émis l'hypothèse que tous les atomes étaient construits à partir de l'atome d'hydrogène, qu'il avait baptisé d'un nom construit à partir du grec ancien prôtos qui veut dire « premier », en se basant sur le fait que leurs masses semblaient des multiples entiers de la masse de l'atome d'hydrogène. Se souvenant de l'hypothèse de Prout, Rutherford avait donc forgé les noms « proton » et « prouton ». Le premier fut adopté.

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