La masse du proton n’a rien à voir avec sa taille

Depuis plusieurs décennies maintenant, les physiciensphysiciens savent que le proton n'est pas une particule élémentaire. Il est constitué notamment de trois quarks. En réalité, il cache une structure bien plus complexe encore. Une structure que les chercheurs continuent de sonder dans l'espoir de mieux comprendre comment la matière s'assemble à toute petite échelle.

L'une des énigmes qui demeuraient encore, c'est celle de la masse du proton bien plus importante que celle que l'on attendrait naturellement, c'est-à-dire, que la somme de la masse de ses trois quarks. Parce que le proton tient en fait une bonne part de sa masse de la force qui maintient ses quarks ensemble. Une force portée par ce que les physiciens appellent des gluons. C'est aujourd'hui cette part de la masse du proton que des chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility (États-Unis) ont réussi à localiser.

Des chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility (États-Unis) montrent que le rayon de masse du proton est plus petit que le rayon de charge électrique, tandis qu’un nuage d’activité scalaire de gluons s’étend au-delà du rayon de charge. © Laboratoire national d’Argonne

Des résultats à valider par d’autres expériences

Au cours de leur expérience, les physiciens ont envoyé des électrons énergétiques sur un petit bloc de cuivrecuivre dans un accélérateur de particules. Ils ont ainsi donné naissance à un faisceau de photonsphotons qui a frappé des protons noyés dans de l'hydrogènehydrogène liquideliquide. Des milliards d'interactions plus tard, les chercheurs ont pu enfin éclairer la masse formée par les gluonsgluons du proton. Dans un rayon plus petit que celui de la distribution de sa charge électrique, habituellement considéré comme définissant la taille du proton.

Ce que révèlent ces travaux, c'est notamment que les quarks, qui portent la charge du proton, doivent régulièrement naviguer en dehors de la zone d'action des gluons dont le rôle est pourtant de les maintenir ensemble. Plus étonnant encore, les physiciens s'attendent désormais à ce qu'il existe une troisième grandeur importante pour le proton. Un troisième rayon qui définirait une sorte d'immense halo autour de la particule. Mais pour le vérifier, ils auront besoin de mener quelques expériences supplémentaires.