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Qu'est-ce qu'un proton et qu'est-ce qu'il contient ? Particules élémentaires Qu'est-ce qu'un proton.

Les particules élémentaires à cinq lettres sont répertoriées ci-dessous. Une brève description est donnée pour chaque définition.

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Liste des particules élémentaires

Photon

C'est un quantum de rayonnement électromagnétique, par exemple la lumière. La lumière, quant à elle, est un phénomène constitué de flux de lumière. Un photon est une particule élémentaire. Un photon a une charge neutre et une masse nulle. Le spin du photon est égal à l'unité. Le photon transporte l'interaction électromagnétique entre les particules chargées. Le terme photon vient du grec phos qui signifie lumière.

Phonon

C'est une quasi-particule, un quantum de vibrations élastiques et de déplacements d'atomes et de molécules du réseau cristallin à partir d'une position d'équilibre. Dans les réseaux cristallins, les atomes et les molécules interagissent constamment et partagent de l’énergie. À cet égard, il est presque impossible d'étudier des phénomènes similaires aux vibrations d'atomes individuels. Par conséquent, les vibrations aléatoires des atomes sont généralement considérées en fonction du type de propagation des ondes sonores à l’intérieur d’un réseau cristallin. Les quanta de ces ondes sont des phonons. Le terme phonon vient du grec téléphone – son.

Phazon

La phase de fluctuation est une quasiparticule, qui est une excitation dans des alliages ou dans un autre système hétérophasique, formant un puits de potentiel (région ferromagnétique) autour d'une particule chargée, par exemple un électron, et la capturant.

Roton

C'est une quasiparticule qui correspond à une excitation élémentaire dans l'hélium superfluide, dans la région des impulsions élevées, associée à l'apparition d'un mouvement vortex dans un liquide superfluide. Roton, traduit du latin signifie - filer, filer. Le roton apparaît à des températures supérieures à 0,6 K et détermine les propriétés de la capacité thermique dépendant de la température de manière exponentielle, telles que l'entropie de densité normale et autres.

Méson

C'est une particule non élémentaire instable. Un méson est un électron lourd présent dans les rayons cosmiques.
La masse d'un méson est supérieure à la masse d'un électron et inférieure à la masse d'un proton.

Les mésons possèdent un nombre pair de quarks et d'antiquarks. Les mésons comprennent les pions, les kaons et d'autres mésons lourds.

Quark

Il s’agit d’une particule élémentaire de matière, mais jusqu’à présent seulement hypothétique. Les quarks sont généralement appelés six particules et leurs antiparticules (antiquarks), qui constituent à leur tour un groupe de hadrons de particules élémentaires spéciales.

On pense que les particules qui participent à des interactions fortes, telles que les protons, les neurones et quelques autres, sont constituées de quarks étroitement liés les uns aux autres. Les quarks existent constamment dans différentes combinaisons. Il existe une théorie selon laquelle les quarks pourraient exister sous forme libre dans les premiers instants après le big bang.

Gluon

Particule élémentaire. Selon une théorie, les gluons semblent coller les quarks ensemble, qui à leur tour forment des particules telles que des protons et des neurones. En général, les gluons sont les plus petites particules qui forment la matière.

Boson

Boson-quasiparticle ou Bose-particule. Un boson a un spin nul ou entier. Le nom est donné en l'honneur du physicien Shatyendranath Bose. Un boson est différent en ce sens qu'un nombre illimité d'entre eux peuvent avoir le même état quantique.

Hadrons

Un hadron est une particule élémentaire qui n’est pas vraiment élémentaire. Se compose de quarks, d'antiquarks et de gluons. Le hadron n'a pas de charge colorée et participe à des interactions fortes, notamment nucléaires. Le terme hadron, du grec adros, signifie grand, massif.

Traduction

Riz. 1 : atome d’hydrogène. Pas à l'échelle.

Vous savez que le Grand collisionneur de hadrons écrase les protons les uns contre les autres. Mais qu'est-ce qu'un proton ?

Tout d’abord, c’est un désastre terrible et complet. Aussi laid et chaotique que l’atome d’hydrogène est simple et élégant.

Mais qu’est-ce alors qu’un atome d’hydrogène ?

Il s’agit de l’exemple le plus simple de ce que les physiciens appellent un « état lié ». « État » signifie essentiellement quelque chose qui existe depuis un certain temps, et « connecté » signifie que ses composantes sont liées les unes aux autres, comme les époux dans un mariage. En fait, l’exemple d’un couple marié dans lequel l’un des conjoints est beaucoup plus lourd que l’autre s’inscrit très bien ici. Le proton se trouve au centre, bougeant à peine, et sur les bords de l'objet se trouve un électron qui se déplace, se déplaçant plus vite que vous et moi, mais beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, la vitesse limite universelle. Une image paisible d’une idylle conjugale.

Ou cela semble être le cas jusqu'à ce que nous examinions le proton lui-même. L’intérieur du proton lui-même ressemble davantage à une commune, où de nombreux adultes seuls et enfants sont densément entassés : un pur chaos. C'est aussi un état lié, mais il ne relie pas quelque chose de simple, comme un proton à un électron, comme dans l'hydrogène, ou au moins plusieurs dizaines d'électrons à un noyau atomique, comme dans des atomes plus complexes comme l'or - mais un nombre incalculable ( c'est-à-dire qu'ils sont trop nombreux et changent trop rapidement pour être pratiquement comptés) des particules légères appelées quarks, antiquarks et gluons. Il est impossible de décrire simplement la structure du proton, de dessiner des images simples - elle est extrêmement désorganisée. Tous les quarks, gluons et antiquarks se précipitent à l'intérieur à la vitesse maximale possible, presque à la vitesse de la lumière.

Riz. 2 : Image d'un proton. Imaginez que tous les quarks (up, down, étrange - u,d,s), les antiquarks (u,d,s avec un tiret) et les gluons (g) se précipitent d'avant en arrière presque à la vitesse de la lumière, entrent en collision les uns avec les autres. autre, apparaître et disparaître

Vous avez peut-être entendu dire qu'un proton est constitué de trois quarks. Mais c’est un mensonge – pour le bien commun, mais qui reste néanmoins un mensonge assez important. En fait, il existe une myriade de gluons, d’antiquarks et de quarks dans un proton. L'abréviation standard « un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down » indique simplement qu'un proton a deux quarks up de plus que les quarks up et un quark down de plus que les quarks down. Pour que cette réduction soit vraie, il est nécessaire d’y ajouter « et d’innombrables autres gluons et paires quark-antiquark ». Sans cette phrase, l'idée d'un proton serait tellement simplifiée qu'il serait totalement impossible de comprendre le fonctionnement du LHC.

Riz. 3 : Des petits mensonges blancs dans une image Wikipédia stéréotypée

En général, les atomes comparés aux protons sont comme un pas de deux dans un ballet élaboré comparé à une discothèque remplie d'adolescents ivres qui sautent de haut en bas et saluent le DJ.

C’est pourquoi si vous êtes un théoricien essayant de comprendre ce que le LHC verra lors des collisions de protons, vous aurez du mal. Il est très difficile de prédire les résultats de collisions entre objets qui ne peuvent être décrits de manière simple. Mais heureusement, depuis les années 1970, sur la base des idées de Björken des années 60, les physiciens théoriciens ont trouvé une technologie relativement simple et efficace. Mais cela fonctionne encore dans certaines limites, avec une précision d’environ 10 %. Pour cette raison et bien d’autres encore, la fiabilité de nos calculs au LHC est toujours limitée.

Une autre particularité du proton est qu’il est minuscule. Vraiment minuscule. Si vous faites exploser un atome d'hydrogène à la taille de votre chambre, le proton aura la taille d'un grain de poussière si petit qu'il sera très difficile de le remarquer. C’est précisément parce que le proton est si petit que nous pouvons ignorer le chaos qui s’y déroule, décrivant l’atome d’hydrogène comme simple. Plus précisément, la taille d’un proton est 100 000 fois plus petite que la taille d’un atome d’hydrogène.

À titre de comparaison, la taille du Soleil n’est que 3 000 fois plus petite que la taille du système solaire (mesurée par l’orbite de Neptune). C'est vrai : l'atome est plus vide que le système solaire ! Souvenez-vous-en lorsque vous regardez le ciel la nuit.

Mais vous pourriez demander : « Attendez une seconde ! Êtes-vous en train de dire que le Grand collisionneur de hadrons entre en collision d’une manière ou d’une autre avec des protons 100 000 fois plus petits qu’un atome ? Comment est-ce possible?

Excellente question.

Collisions de protons versus mini-collisions de quarks, gluons et antiquarks

Les collisions de protons au LHC se produisent avec une certaine énergie. Elle était de 7 TeV = 7 000 GeV en 2011, et de 8 TeV = 8 000 GeV en 2012. Mais les physiciens des particules s'intéressent principalement aux collisions d'un quark d'un proton avec l'antiquark d'un autre proton, ou aux collisions de deux gluons, etc. – quelque chose qui peut conduire à l’émergence d’un phénomène physique véritablement nouveau. Ces mini-collisions transportent une petite fraction de l’énergie totale des collisions de protons. Quelle quantité de cette énergie peuvent-ils transporter et pourquoi a-t-il été nécessaire d’augmenter l’énergie de collision de 7 TeV à 8 TeV ?

La réponse est dans la Fig. 4. Le graphique montre le nombre de collisions détectées par le détecteur ATLAS. Les données de l'été 2011 impliquent la diffusion de quarks, d'antiquarks et de gluons par d'autres quarks, antiquarks et gluons. De telles mini-collisions produisent le plus souvent deux jets (jet de hadrons, manifestations de quarks de haute énergie, de gluons ou d'antiquarks arrachés des protons parents). Les énergies et les directions des jets sont mesurées et, à partir de ces données, la quantité d'énergie qui aurait dû être impliquée dans la mini-collision est déterminée. Le graphique montre le nombre de mini-collisions de ce type en fonction de l'énergie. L'axe vertical est logarithmique - chaque ligne indique une quantité multipliée par 10 (10 n désigne 1 et n zéros après). Par exemple, le nombre de mini-collisions observées dans l'intervalle d'énergie de 1 550 à 1 650 GeV était d'environ 10 3 = 1 000 (marqué par des lignes bleues). Notez que le graphique commence à 750 GeV, mais le nombre de mini-collisions continue d'augmenter à mesure que vous étudiez des jets de plus faible énergie, jusqu'au point où les jets deviennent trop faibles pour être détectés.

Riz. 4 : nombre de collisions en fonction de l'énergie (m jj)

Considérons que le nombre total de collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV = 7 000 GeV approchait les 100 000 000 000 000. Et parmi toutes ces collisions, seules deux mini-collisions dépassaient 3 500 GeV, soit la moitié de l'énergie d'une collision de protons. Théoriquement, l'énergie d'une mini-collision pourrait augmenter jusqu'à 7 000 GeV, mais la probabilité que cela se produise diminue constamment. Nous observons si rarement des mini-collisions à 6 000 GeV qu'il est peu probable que nous en voyions 7 000 GeV, même si nous collectons 100 fois plus de données.

Quels sont les avantages d’augmenter l’énergie de collision de 7 TeV en 2010-2011 à 8 TeV en 2012 ? Évidemment, ce que vous pouviez faire au niveau d'énergie E, vous pouvez maintenant le faire au niveau d'énergie 8/7 E ≈ 1,14 E. Donc, si auparavant vous pouviez espérer voir dans autant de données les signes d'un certain type de particule hypothétique avec masse de 1 000 GeV/c 2 , alors nous pouvons désormais espérer atteindre au moins 1 100 GeV/c 2 avec le même ensemble de données. Les capacités de la machine augmentent - vous pouvez rechercher des particules de masse légèrement plus grande. Et si vous collectez trois fois plus de données en 2012 qu'en 2011, vous obtiendrez plus de collisions pour chaque niveau d'énergie et vous pourrez voir la signature d'une particule hypothétique ayant une masse, disons, de 1 200 GeV/s 2 .

Mais ce n'est pas tout. Regardez les lignes bleues et vertes sur la figure. 4 : ils montrent qu'ils se produisent à des énergies de l'ordre de 1400 et 1600 GeV - de sorte qu'ils sont en corrélation entre eux comme 7 à 8. Au niveau d'énergie de collision de protons de 7 TeV, le nombre de mini-collisions de quarks avec des quarks , quarks avec gluons, etc. P. avec une énergie de 1 400 GeV est plus de deux fois supérieur au nombre de collisions avec une énergie de 1 600 GeV. Mais lorsque la machine augmente l'énergie de 8/7, ce qui a fonctionné pour 1400 commence à fonctionner pour 1600. Autrement dit, si vous vous intéressez aux mini-collisions à énergie fixe, leur nombre augmente - et bien plus que l'augmentation de 14 % en énergie de collision de protons ! Cela signifie que pour tout processus ayant une énergie préférée, par exemple l'apparition de particules légères de Higgs, qui se produit à des énergies de l'ordre de 100 à 200 GeV, vous obtenez plus de résultats pour le même prix. Passer de 7 à 8 TeV signifie que pour le même nombre de collisions de protons, on obtient plus de particules de Higgs. La production de particules de Higgs augmentera d’environ 1,5. Le nombre de quarks up et de certains types de particules hypothétiques augmentera légèrement davantage.

Cela signifie que même si le nombre de collisions de protons en 2012 sera 3 fois plus élevé qu'en 2011, le nombre total de particules de Higgs produites augmentera de près de 4 fois simplement en raison de l'augmentation de l'énergie.

Au fait, fig. La figure 4 prouve également que les protons ne sont pas simplement constitués de deux quarks up et d'un quark down, comme le montrent des dessins comme la figure 4. 3. Si tel était le cas, les quarks devraient alors transférer environ un tiers de l'énergie des protons, et la plupart des mini-collisions se produiraient à des énergies d'environ un tiers de l'énergie de collision des protons : environ 2 300 GeV. Mais le graphique montre que rien de spécial ne se produit dans la région de 2 300 GeV. Aux énergies inférieures à 2 300 GeV, il y a beaucoup plus de collisions, et plus on descend, plus on voit de collisions. En effet, le proton contient un grand nombre de gluons, de quarks et d'antiquarks, dont chacun transfère une petite partie de l'énergie du proton, mais ils sont si nombreux qu'ils participent à un grand nombre de mini-collisions. Cette propriété du proton est illustrée sur la figure. 2 – bien qu’en réalité le nombre de gluons de basse énergie et de paires quark-antiquark soit bien plus grand que celui indiqué sur la figure.

Mais ce que le graphique ne montre pas, c'est la fraction qui, dans les mini-collisions avec une certaine énergie, tombe sur les collisions de quarks avec des quarks, de quarks avec des gluons, de gluons avec des gluons, de quarks avec des antiquarks, etc. En fait, cela ne peut pas être dit directement à partir des expériences au LHC : les jets de quarks, d’antiquarks et de gluons se ressemblent. La façon dont nous connaissons ces actions est une histoire complexe, impliquant de nombreuses expériences passées différentes et la théorie qui les combine. Nous savons ainsi que les mini-collisions aux plus hautes énergies se produisent généralement entre quarks et quarks et entre quarks et gluons. Des collisions à faible énergie se produisent généralement entre gluons. Les collisions entre quarks et antiquarks sont relativement rares, mais elles sont très importantes pour certains processus physiques.

Distribution des particules à l'intérieur d'un proton

Riz. 5

Deux graphiques, différant par l'échelle de l'axe vertical, montrent la probabilité relative d'une collision avec un gluon, un quark up ou down, ou un antiquark transportant une fraction de l'énergie du proton égale à x. À petit x, les gluons dominent (et les quarks et les antiquarks deviennent également probables et nombreux, bien qu'ils soient encore moins nombreux que les gluons), et à x moyen, les quarks dominent (bien qu'ils deviennent extrêmement peu nombreux).

Les deux graphiques montrent la même chose, mais à une échelle différente, de sorte que ce qui est difficile à voir sur l’un est plus facile à voir sur l’autre. Ce qu'ils montrent est ceci : si un faisceau de protons arrive sur vous dans le Grand collisionneur de hadrons et que vous heurtez quelque chose à l'intérieur du proton, quelle est la probabilité que vous heurtiez un quark up, ou un quark down, ou un gluon, ou un un antiquark up, ou un quark down ? un antiquark qui transporte une fraction de l'énergie du proton égale à x ? De ces graphiques on peut conclure que :

Du fait que toutes les courbes croissent très rapidement à petit x (vu dans le graphique du bas), il s'ensuit que la plupart des particules dans le proton transfèrent moins de 10 % (x< 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% - не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.
Puisque la courbe jaune (ci-dessous) est beaucoup plus haute que les autres, il s'ensuit que si vous rencontrez quelque chose qui transporte moins de 10 % de l'énergie d'un proton, il s'agit très probablement d'un gluon ; et en dessous de 2% de l'énergie du proton, il est également probable qu'il s'agisse de quarks ou d'antiquarks.
Puisque la courbe des gluons (en haut) descend en dessous des courbes des quarks à mesure que x augmente, il s'ensuit que si vous rencontrez quelque chose transportant plus de 20 % (x > 0,2) de l'énergie du proton - ce qui est très, très rare - il s'agit très probablement d'un quark, et la probabilité qu'il s'agisse d'un quark up est deux fois plus probable que la probabilité qu'il s'agisse d'un quark down. C’est un vestige de l’idée selon laquelle « un proton est constitué de deux quarks up et d’un quark down ».
Toutes les courbes chutent fortement à mesure que x augmente ; Il est très peu probable que vous rencontriez quelque chose transportant plus de 50 % de l'énergie du proton.

Ces observations se reflètent indirectement dans le graphique de la Fig. 4. Voici quelques éléments supplémentaires non évidents à propos des deux graphiques :
La majeure partie de l'énergie du proton est divisée (à peu près également) entre un petit nombre de quarks de haute énergie et un grand nombre de gluons de basse énergie.
Parmi les particules, les gluons de basse énergie prédominent en nombre, suivis des quarks et antiquarks de très basses énergies.

Le nombre de quarks et d'antiquarks est énorme, mais : le nombre total de quarks up moins le nombre total d'antiquarks up est de deux, et le nombre total de quarks down moins le nombre total d'antiquarks down est de un. Comme nous l'avons vu ci-dessus, les quarks supplémentaires transportent une partie importante (mais pas majoritaire) de l'énergie du proton volant vers vous. Et c’est seulement dans ce sens que nous pouvons dire que le proton est essentiellement constitué de deux quarks up et d’un quark down.

D'ailleurs, toutes ces informations ont été obtenues à partir d'une fascinante combinaison d'expériences (principalement sur la diffusion d'électrons ou de neutrinos à partir de protons ou de noyaux atomiques d'hydrogène lourd - deutérium, contenant un proton et un neutron), rassemblées à l'aide d'équations détaillées. décrivant les interactions électromagnétiques, nucléaires fortes et nucléaires faibles. Cette longue histoire remonte à la fin des années 1960 et au début des années 1970. Et cela fonctionne très bien pour prédire les phénomènes observés dans les collisionneurs où des protons entrent en collision avec des protons et des protons avec des antiprotons, comme le Tevatron et le LHC.

Autres preuves de la structure complexe du proton

Examinons certaines des données obtenues au LHC et comment elles soutiennent les affirmations sur la structure du proton (bien que la compréhension actuelle du proton remonte à 3 à 4 décennies, grâce à de nombreuses expériences).

Graphique de la Fig. 4 est obtenu à partir d'observations de collisions au cours desquelles quelque chose comme celui montré sur la figure 1 se produit. 6 : un quark ou un antiquark ou un gluon d'un proton entre en collision avec un quark ou un antiquark ou un gluon d'un autre proton, se disperse (ou quelque chose de plus complexe se produit - par exemple, deux gluons entrent en collision et se transforment en un quark et un antiquark), résultant en deux particules (quarks, antiquarks ou gluons) s'envolent du point de collision. Ces deux particules se transforment en jets (jets de hadrons). L'énergie et la direction des jets sont observées dans des détecteurs de particules entourant le point d'impact. Ces informations sont utilisées pour comprendre la quantité d’énergie contenue dans la collision des deux quarks/gluons/antiquarks d’origine. Plus précisément, la masse invariante des deux jets, multipliée par c 2, donne l'énergie de collision des deux quarks/gluons/antiquarks d'origine.

Riz. 6

Le nombre de collisions de ce type en fonction de l'énergie est indiqué sur la figure. 4. Le fait qu'aux basses énergies le nombre de collisions soit beaucoup plus élevé est confirmé par le fait que la plupart des particules à l'intérieur du proton ne transfèrent qu'une petite fraction de son énergie. Les données démarrent à des énergies de 750 GeV.

Riz. 7 : Données pour les énergies inférieures extraites d’un ensemble de données plus petit. Masse Dijet – la même que m jj sur la Fig. 4.

Données pour la Fig. 7 sont tirées de l'expérience CMS de 2010, sur laquelle ils ont tracé des collisions de chair jusqu'à des énergies de 220 GeV. Le graphique ici ne représente pas le nombre de collisions, mais un peu plus compliqué : le nombre de collisions par GeV, c'est-à-dire le nombre de collisions divisé par la largeur de la colonne de l'histogramme. On peut constater que le même effet continue de se produire sur l’ensemble de la gamme de données. Des collisions comme celles montrées sur la Fig. 6, il se passe bien plus de choses aux basses énergies qu’aux hautes énergies. Et ce nombre ne cesse de croître jusqu’à ce qu’il ne soit plus possible de distinguer les jets. Un proton contient de nombreuses particules de faible énergie, et peu d’entre elles transportent une fraction significative de son énergie.

Qu’en est-il de la présence d’antiquarks dans le proton ? Trois des processus les plus intéressants qui ne sont pas similaires à la collision représentée sur la Fig. 6, qui se produit parfois au LHC (dans l’une des plusieurs millions de collisions proton-proton), implique le processus :

Quark + antiquark -> particule W +, W - ou Z.

Ils sont représentés sur la Fig. 8.

Riz. 8

Les données correspondantes du CMS sont données dans la Fig. 9 et 10. Fig. La figure 9 montre que le nombre de collisions qui produisent un électron ou un positron (à gauche) et quelque chose d'indétectable (probablement un neutrino ou un antineutrino), ou un muon et un antimuon (à droite), est prédit correctement. La prédiction est réalisée en combinant le modèle standard (équations qui prédisent le comportement de particules élémentaires connues) et la structure du proton. Les pics importants dans les données sont dus à l’apparition de particules W et Z. La théorie s’adapte parfaitement aux données.

Riz. 9 : points noirs – données, jaunes – prédictions. Le nombre d'événements est indiqué en milliers. Gauche : Le pic central est dû aux neutrinos dans les particules W. À droite, le lepton et l'antilepton produits lors de la collision sont combinés et la masse de la particule dont ils proviennent est implicite. Le pic apparaît en raison des particules Z résultantes.

Encore plus de détails peuvent être vus sur la Fig. 10, où il est montré que la théorie, non seulement en termes de nombre de ces mesures, mais aussi de nombreuses mesures associées - dont la plupart sont associées à des collisions de quarks avec des antiquarks - correspond parfaitement aux données. Les données (points rouges) et la théorie (barres bleues) ne correspondent jamais exactement en raison de fluctuations statistiques, pour la même raison que si vous lancez une pièce dix fois, vous n'obtiendrez pas nécessairement cinq pile et cinq pile. Par conséquent, les points de données sont placés dans la « barre d’erreur », la bande verticale rouge. La taille de la bande est telle que pour 30 % des mesures, la bande d'erreur doit être proche de la théorie, et pour seulement 5 % des mesures, elle doit être éloignée de deux bandes de la théorie. On constate que toutes les preuves confirment que le proton contient de nombreux antiquarks. Et nous comprenons correctement le nombre d’antiquarks qui transportent une certaine fraction de l’énergie du proton.

Riz. dix

Ensuite, tout est un peu plus compliqué. Nous savons même combien de quarks up et down nous avons en fonction de l'énergie qu'ils transportent, puisque nous prédisons correctement - avec une erreur de moins de 10 % - combien de particules W + nous obtenons de plus que de particules W - (Fig. 11).

Riz. onze

Le rapport entre les quarks up et les quarks down devrait être proche de 1, mais il devrait y avoir plus de quarks up que de quarks down, en particulier aux hautes énergies. En figue. 6, nous pouvons voir que le rapport entre les particules W + et W - résultantes devrait nous donner approximativement le rapport des quarks up et des quarks down impliqués dans la production des particules W. Mais sur la Fig. La figure 11 montre que le rapport mesuré entre les particules W + et W - est de 3 pour 2, et non de 2 pour 1. Cela montre également que l'idée naïve d'un proton composé de deux quarks up et d'un quark down est trop simpliste. Le rapport simplifié de 2 pour 1 est flou, car un proton contient de nombreuses paires quark-antiquark, dont les supérieures et les inférieures sont à peu près égales. Le degré de flou est déterminé par la masse de la particule W de 80 GeV. Si vous le rendez plus léger, il y aura plus de flou, et s'il est plus lourd, il y aura moins de flou, car la plupart des paires quark-antiquark du proton transportent peu d'énergie.

Enfin, confirmons le fait que la plupart des particules du proton sont des gluons.

Riz. 12

Pour ce faire, nous utiliserons le fait que les quarks top peuvent être créés de deux manières : quark + antiquark -> quark top + antiquark top, ou gluon + gluon -> quark top + antiquark top (Fig. 12). Nous connaissons le nombre de quarks et d'antiquarks en fonction de l'énergie qu'ils transportent sur la base des mesures illustrées sur la Fig. 9-11. À partir de là, nous pouvons utiliser les équations du modèle standard pour prédire combien de quarks top seront produits à partir de collisions de quarks et d'antiquarks uniquement. Nous pensons également, sur la base de données précédentes, qu'il y a plus de gluons dans un proton, donc le processus gluon + gluon -> quark top + antiquark top devrait se produire au moins 5 fois plus souvent. Il est facile de vérifier s'il y a des gluons ; si ce n’est pas le cas, les données doivent être bien inférieures aux prévisions théoriques.
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En étudiant la structure de la matière, les physiciens ont découvert de quoi sont constitués les atomes, ont atteint le noyau atomique et l'ont divisé en protons et neutrons. Toutes ces étapes ont été données assez facilement - il suffisait d'accélérer les particules jusqu'à l'énergie requise, de les pousser les unes contre les autres, puis elles se désagrégeraient elles-mêmes en leurs composants.

Mais avec les protons et les neutrons, cette astuce ne fonctionnait plus. Bien qu’il s’agisse de particules composites, elles ne peuvent pas être « brisées en morceaux », même lors de la collision la plus violente. Par conséquent, il a fallu des décennies aux physiciens pour trouver différentes façons d’observer l’intérieur du proton, de voir sa structure et sa forme. Aujourd’hui, l’étude de la structure du proton constitue l’un des domaines les plus actifs de la physique des particules.

La nature donne des indices

L’histoire de l’étude de la structure des protons et des neutrons remonte aux années 1930. Lorsqu'en plus des protons, des neutrons furent découverts (1932), après avoir mesuré leur masse, les physiciens furent surpris de constater qu'elle était très proche de la masse d'un proton. De plus, il s’est avéré que les protons et les neutrons « ressentent » l’interaction nucléaire exactement de la même manière. Si identiques que, du point de vue des forces nucléaires, un proton et un neutron peuvent être considérés comme deux manifestations de la même particule - un nucléon : un proton est un nucléon chargé électriquement et un neutron est un nucléon neutre. Échanger des protons contre des neutrons et les forces nucléaires ne remarqueront (presque) rien.

Les physiciens expriment cette propriété de la nature par la symétrie : l'interaction nucléaire est symétrique en ce qui concerne le remplacement des protons par des neutrons, tout comme un papillon est symétrique en ce qui concerne le remplacement de la gauche par la droite. Cette symétrie, en plus de jouer un rôle important en physique nucléaire, était en fait le premier indice que les nucléons possédaient une structure interne intéressante. Il est vrai que dans les années 30, les physiciens n'avaient pas réalisé cette allusion.

La compréhension est venue plus tard. Cela a commencé avec le fait que dans les années 1940-1950, lors de réactions de collisions de protons avec les noyaux de divers éléments, les scientifiques ont été surpris de découvrir de plus en plus de nouvelles particules. Pas des protons, pas des neutrons, pas des mésons pi découverts à cette époque, qui contiennent des nucléons dans des noyaux, mais des particules complètement nouvelles. Malgré toute leur diversité, ces nouvelles particules avaient deux propriétés communes. Premièrement, comme les nucléons, ils participaient très volontiers aux interactions nucléaires - ces particules sont désormais appelées hadrons. Et deuxièmement, ils étaient extrêmement instables. Les plus instables d’entre elles se sont désintégrées en d’autres particules en seulement un billionième de nanoseconde, sans même avoir le temps d’atteindre la taille d’un noyau atomique !

Pendant longtemps, le « zoo » hadronique a été un véritable désastre. À la fin des années 1950, les physiciens connaissaient déjà de nombreux types de hadrons différents, commençaient à les comparer entre eux et percevaient soudain une certaine symétrie générale, voire une périodicité, dans leurs propriétés. Il a été suggéré qu’à l’intérieur de tous les hadrons (y compris les nucléons) se trouvent des objets simples appelés « quarks ». En combinant les quarks de différentes manières, il est possible d'obtenir des hadrons différents, exactement du même type et possédant les mêmes propriétés que ceux découverts lors de l'expérience.

Qu’est-ce qui fait d’un proton un proton ?

Après que les physiciens aient découvert la structure des hadrons en quarks et appris que les quarks existent en plusieurs variétés différentes, il est devenu clair que de nombreuses particules différentes pouvaient être construites à partir des quarks. Personne n’a donc été surpris lorsque les expériences ultérieures ont continué à découvrir de nouveaux hadrons les uns après les autres. Mais parmi tous les hadrons, on a découvert toute une famille de particules, constituée, tout comme le proton, de seulement deux toi-quarks et un d-quark. Une sorte de « frère » du proton. Et ici, les physiciens allaient être surpris.

Faisons d’abord une observation simple. Si nous avons plusieurs objets constitués des mêmes « briques », alors les objets plus lourds contiennent plus de « briques » et les plus légers en contiennent moins. Il s’agit d’un principe très naturel, que l’on peut appeler principe de combinaison ou principe de superstructure, et qui fonctionne parfaitement aussi bien dans la vie quotidienne qu’en physique. Cela se manifeste même dans la structure des noyaux atomiques - après tout, les noyaux plus lourds sont simplement constitués d'un plus grand nombre de protons et de neutrons.

Cependant, au niveau des quarks, ce principe ne fonctionne pas du tout et, il est vrai, les physiciens n'ont pas encore complètement compris pourquoi. Il s'avère que les frères lourds du proton sont également constitués des mêmes quarks que le proton, bien qu'ils soient une fois et demie voire deux fois plus lourds que le proton. Ils diffèrent du proton (et diffèrent les uns des autres) non composition, et mutuelle emplacement quarks, par l'état dans lequel ces quarks sont les uns par rapport aux autres. Il suffit de changer la position relative des quarks - et du proton nous obtiendrons une autre particule, sensiblement plus lourde.

Que se passera-t-il si vous continuez à prendre et à collecter plus de trois quarks ensemble ? Y aura-t-il une nouvelle particule lourde ? Étonnamment, cela ne fonctionnera pas : les quarks se briseront en trois et se transformeront en plusieurs particules dispersées. Pour une raison quelconque, la nature « n'aime pas » combiner de nombreux quarks en un seul ! Ce n'est que très récemment, littéralement au cours des dernières années, que des indices ont commencé à apparaître selon lesquels certaines particules multi-quarks existaient, mais cela ne fait que souligner à quel point la nature ne les aime pas.

De cette combinatoire découle une conclusion très importante et profonde : la masse des hadrons n'est pas du tout constituée de la masse des quarks. Mais si la masse d’un hadron peut être augmentée ou diminuée par simple recombinaison de ses briques constitutives, alors ce ne sont pas les quarks eux-mêmes qui sont responsables de la masse des hadrons. Et en effet, lors d'expériences ultérieures, il a été possible de découvrir que la masse des quarks eux-mêmes ne représente qu'environ deux pour cent de la masse du proton, et que le reste de la gravité résulte du champ de force (particules spéciales - gluons) qui lier les quarks ensemble. En modifiant la position relative des quarks, par exemple en les éloignant les uns des autres, nous modifions ainsi le nuage de gluons, le rendant plus massif, c'est pourquoi la masse des hadrons augmente (Fig. 1).

Que se passe-t-il à l’intérieur d’un proton en mouvement rapide ?

Tout ce qui est décrit ci-dessus concerne un proton stationnaire ; dans le langage des physiciens, c'est la structure du proton dans son référentiel de repos. Cependant, dans l'expérience, la structure du proton a été découverte pour la première fois dans d'autres conditions - à l'intérieur vol rapide proton.

À la fin des années 1960, lors d'expériences sur les collisions de particules dans des accélérateurs, il a été remarqué que les protons se déplaçant à une vitesse proche de la lumière se comportaient comme si l'énergie qu'ils contenaient n'était pas répartie uniformément, mais était concentrée dans des objets compacts individuels. Le célèbre physicien Richard Feynman a proposé d'appeler ces amas de matière à l'intérieur de protons partons(de l'anglais partie - Partie).

Des expériences ultérieures ont examiné de nombreuses propriétés des partons, par exemple leur charge électrique, leur nombre et la fraction d'énergie protonique que chacun transporte. Il s'avère que les partons chargés sont des quarks et les partons neutres sont des gluons. Oui, ces mêmes gluons qui, dans le cadre de repos du proton, «servaient» simplement les quarks, les attirant les uns vers les autres, sont désormais des partons indépendants et, avec les quarks, transportent la «matière» et l'énergie d'un proton en mouvement rapide. Des expériences ont montré qu'environ la moitié de l'énergie est stockée dans les quarks et l'autre moitié dans les gluons.

Les partons sont plus facilement étudiés dans les collisions de protons avec des électrons. Le fait est que, contrairement à un proton, un électron ne participe pas à des interactions nucléaires fortes et sa collision avec un proton semble très simple : l'électron émet un photon virtuel pendant un temps très court, qui s'écrase sur un parton chargé et génère finalement un grand nombre de particules ( Fig. 2). On peut dire que l'électron est un excellent scalpel pour « ouvrir » le proton et le diviser en parties séparées - mais seulement pour un temps très court. Connaissant la fréquence à laquelle de tels processus se produisent dans un accélérateur, on peut mesurer le nombre de partons à l'intérieur d'un proton et leurs charges.

Qui sont vraiment les Parton ?

Et nous arrivons ici à une autre découverte étonnante que les physiciens ont faite en étudiant les collisions de particules élémentaires à haute énergie.

Dans des conditions normales, la question de savoir en quoi consiste tel ou tel objet a une réponse universelle pour tous les systèmes de référence. Par exemple, une molécule d'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène - et peu importe que nous regardions une molécule stationnaire ou en mouvement. Pourtant, cette règle semble tellement naturelle ! - est violé si l'on parle de particules élémentaires se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Dans un référentiel, une particule complexe peut être constituée d’un ensemble de sous-particules, et dans un autre référentiel, d’un autre. Il se trouve que la composition est un concept relatif!

Comment se peut-il? La clé ici est une propriété importante : le nombre de particules dans notre monde n’est pas fixe – les particules peuvent naître et disparaître. Par exemple, si vous rapprochez deux électrons avec une énergie suffisamment élevée, alors en plus de ces deux électrons, soit un photon, soit une paire électron-positon, soit d'autres particules peuvent naître. Tout cela est permis par les lois quantiques, et c'est exactement ce qui se passe dans les expériences réelles.

Mais cette « loi de non-conservation » des particules fonctionne en cas de collision particules. Comment se fait-il que le même proton, de différents points de vue, semble être constitué d'un ensemble différent de particules ? Le fait est qu’un proton n’est pas simplement constitué de trois quarks réunis. Il existe un champ de force de gluons entre les quarks. En général, un champ de force (tel qu’un champ gravitationnel ou électrique) est une sorte d’« entité » matérielle qui imprègne l’espace et permet aux particules d’exercer une forte influence les unes sur les autres. Dans la théorie quantique, le champ est également constitué de particules, bien que spéciales - virtuelles. Le nombre de ces particules n’est pas fixe ; elles « bourgeonnent » constamment à partir des quarks et sont absorbées par d’autres quarks.

Repos Un proton peut en réalité être considéré comme trois quarks avec des gluons sautant entre eux. Mais si nous regardons le même proton depuis un cadre de référence différent, comme depuis la fenêtre d’un « train relativiste » qui passe, nous verrons une image complètement différente. Les gluons virtuels qui collaient les quarks ensemble sembleront des particules moins virtuelles, « plus réelles ». Bien sûr, ils naissent toujours et sont absorbés par les quarks, mais en même temps, ils vivent seuls pendant un certain temps, volant à côté des quarks, comme de vraies particules. Ce qui ressemble à un simple champ de force dans un référentiel se transforme en un flux de particules dans un autre référentiel ! Notez que nous ne touchons pas le proton lui-même, mais le regardons uniquement depuis un cadre de référence différent.

En outre. Plus la vitesse de notre « train relativiste » est proche de la vitesse de la lumière, plus l’image que nous verrons à l’intérieur du proton sera étonnante. À mesure que l’on s’approche de la vitesse de la lumière, on remarquera qu’il y a de plus en plus de gluons à l’intérieur du proton. De plus, ils se divisent parfois en paires quark-antiquark, qui volent également à proximité et sont également considérées comme des partons. De ce fait, un proton ultrarelativiste, c'est-à-dire un proton se déplaçant par rapport à nous à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, apparaît sous la forme de nuages interpénétrés de quarks, d'antiquarks et de gluons qui volent ensemble et semblent se soutenir (Fig. .3).

Un lecteur familier avec la théorie de la relativité peut être inquiet. Toute physique est basée sur le principe selon lequel tout processus se déroule de la même manière dans tous les référentiels inertiels. Mais il s’avère que la composition du proton dépend du référentiel à partir duquel on l’observe ?!

Oui, exactement, mais cela ne viole en rien le principe de relativité. Les résultats des processus physiques - par exemple, quelles particules et combien sont produites à la suite d'une collision - s'avèrent invariants, bien que la composition du proton dépende du cadre de référence.

Cette situation, inhabituelle à première vue, mais satisfaisant toutes les lois de la physique, est illustrée schématiquement sur la figure 4. Elle montre à quoi ressemble la collision de deux protons à haute énergie dans différents référentiels : dans le référentiel de repos d'un proton, dans le repère du centre de masse, dans le repère de repos d'un autre proton. L'interaction entre les protons s'effectue à travers une cascade de gluons qui se divisent, mais seulement dans un cas cette cascade est considérée comme « l'intérieur » d'un proton, dans un autre cas, elle est considérée comme faisant partie d'un autre proton, et dans le troisième, c'est simplement une sorte de objet échangé entre deux protons. Cette cascade existe, elle est réelle, mais à quelle partie du processus elle doit être attribuée dépend du référentiel.

Portrait 3D d'un proton

Tous les résultats dont nous venons de parler étaient basés sur des expériences réalisées il y a assez longtemps - dans les années 60-70 du siècle dernier. Il semblerait que depuis lors, tout aurait dû être étudié et toutes les questions auraient dû trouver leur réponse. Mais non, la structure du proton reste l’un des sujets les plus intéressants de la physique des particules. De plus, son intérêt s'est encore accru ces dernières années, car les physiciens ont compris comment obtenir un portrait « tridimensionnel » d'un proton se déplaçant rapidement, ce qui s'est avéré beaucoup plus difficile que le portrait d'un proton stationnaire.

Les expériences classiques sur les collisions de protons ne renseignent que sur le nombre de partons et leur répartition énergétique. Dans de telles expériences, les partons participent en tant qu'objets indépendants, ce qui signifie qu'il est impossible de découvrir à partir d'eux comment les partons sont situés les uns par rapport aux autres, ni comment ils s'additionnent exactement pour former un proton. On peut dire que pendant longtemps, seul un portrait « unidimensionnel » d’un proton se déplaçant rapidement était à la disposition des physiciens.

Afin de construire un véritable portrait tridimensionnel d'un proton et de connaître la répartition des partons dans l'espace, des expériences beaucoup plus subtiles sont nécessaires que celles qui étaient possibles il y a 40 ans. Les physiciens ont appris à mener de telles expériences assez récemment, littéralement au cours de la dernière décennie. Ils ont réalisé que parmi le grand nombre de réactions différentes qui se produisent lorsqu'un électron entre en collision avec un proton, il existe une réaction spéciale : diffusion Compton virtuelle profonde, - ce qui peut nous renseigner sur la structure tridimensionnelle du proton.

De manière générale, la diffusion Compton, ou effet Compton, est la collision élastique d'un photon avec une particule, par exemple un proton. Cela ressemble à ceci : un photon arrive, est absorbé par un proton, qui entre pendant une courte période dans un état excité, puis revient à son état d'origine, émettant un photon dans une certaine direction.

La diffusion Compton des photons de lumière ordinaires ne conduit à rien d'intéressant - c'est simplement la réflexion de la lumière d'un proton. Pour que la structure interne du proton « entre en jeu » et que la distribution des quarks soit « ressentie », il est nécessaire d'utiliser des photons de très haute énergie - des milliards de fois plus que dans la lumière ordinaire. Et ce sont précisément ces photons, même virtuels, qui sont facilement générés par un électron incident. Si nous combinons maintenant l’un avec l’autre, nous obtenons une diffusion Compton virtuelle profonde (Fig. 5).

La principale caractéristique de cette réaction est qu’elle ne détruit pas le proton. Le photon incident ne frappe pas seulement le proton, mais, pour ainsi dire, le palpe soigneusement puis s'envole. La direction dans laquelle il s'envole et la part de l'énergie que le proton en retire dépendent de la structure du proton, de la disposition relative des partons à l'intérieur de celui-ci. C’est pourquoi, en étudiant ce processus, il est possible de restituer l’aspect tridimensionnel du proton, comme pour « sculpter sa sculpture ».

Il est vrai que cela est très difficile à réaliser pour un physicien expérimentateur. Le processus requis est assez rare et il est difficile de l'enregistrer. Les premières données expérimentales sur cette réaction n'ont été obtenues qu'en 2001 à l'accélérateur HERA du complexe d'accélérateurs allemand DESY à Hambourg ; une nouvelle série de données est actuellement traitée par les expérimentateurs. Cependant, dès aujourd’hui, sur la base des premières données, les théoriciens dessinent des distributions tridimensionnelles des quarks et des gluons dans le proton. Une grandeur physique, sur laquelle les physiciens n’avaient auparavant fait que des hypothèses, a finalement commencé à « émerger » de l’expérience.

Y a-t-il des découvertes inattendues qui nous attendent dans ce domaine ? Il est probable que oui. Pour illustrer cela, disons qu'en novembre 2008, un article théorique intéressant est paru, selon lequel un proton se déplaçant rapidement ne devrait pas ressembler à un disque plat, mais à une lentille biconcave. Cela se produit parce que les partons situés dans la région centrale du proton sont plus fortement comprimés dans le sens longitudinal que les partons situés sur les bords. Il serait très intéressant de tester expérimentalement ces prédictions théoriques !

Pourquoi tout cela intéresse-t-il les physiciens ?

Pourquoi les physiciens ont-ils besoin de savoir exactement comment la matière est distribuée à l’intérieur des protons et des neutrons ?

Premièrement, cela est requis par la logique même du développement de la physique. Il existe dans le monde de nombreux systèmes incroyablement complexes que la physique théorique moderne ne peut pas encore pleinement comprendre. Les hadrons sont l'un de ces systèmes. En comprenant la structure des hadrons, nous perfectionnons les capacités de la physique théorique, qui pourraient bien s'avérer universelles et, peut-être, contribueront à quelque chose de complètement différent, par exemple dans l'étude des supraconducteurs ou d'autres matériaux aux propriétés inhabituelles.

Deuxièmement, cela présente un bénéfice direct pour la physique nucléaire. Malgré l'histoire de près d'un siècle d'étude des noyaux atomiques, les théoriciens ne connaissent toujours pas la loi exacte de l'interaction entre les protons et les neutrons.

Ils doivent en partie deviner cette loi sur la base de données expérimentales et en partie la construire sur la base de leurs connaissances sur la structure des nucléons. C’est là que de nouvelles données sur la structure tridimensionnelle des nucléons seront utiles.

Troisièmement, il y a quelques années, les physiciens ont pu obtenir rien de moins qu'un nouvel état global de la matière : le plasma quarks-gluons. Dans cet état, les quarks ne se trouvent pas à l’intérieur de protons et de neutrons individuels, mais se déplacent librement dans tout l’amas de matière nucléaire. Ceci peut être réalisé, par exemple, comme ceci : des noyaux lourds sont accélérés dans un accélérateur jusqu'à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, puis entrent en collision frontale. Lors de cette collision, des températures de plusieurs milliards de degrés apparaissent pendant une très courte période, ce qui fait fondre les noyaux en un plasma de quarks et de gluons. Il s’avère donc que les calculs théoriques de cette fusion nucléaire nécessitent une bonne connaissance de la structure tridimensionnelle des nucléons.

Enfin, ces données sont très nécessaires à l'astrophysique. Lorsque des étoiles lourdes explosent à la fin de leur vie, elles laissent souvent derrière elles des objets extrêmement compacts – des étoiles à neutrons et éventuellement des quarks. Le noyau de ces étoiles est entièrement constitué de neutrons, et peut-être même de plasma froid de quarks et de gluons. De telles étoiles ont été découvertes depuis longtemps, mais on ne peut que deviner ce qui se passe à l'intérieur d'elles. Ainsi, une bonne compréhension de la distribution des quarks peut conduire à des progrès en astrophysique.

Dans cet article, vous trouverez des informations sur le proton, en tant que particule élémentaire qui constitue la base de l'univers avec ses autres éléments, utilisée en chimie et en physique. Les propriétés du proton, ses caractéristiques chimiques et sa stabilité seront déterminées.

Qu'est-ce qu'un proton

Un proton est l'un des représentants des particules élémentaires, classé comme baryon, par ex. dans lequel les fermions interagissent fortement, et la particule elle-même est constituée de 3 quarks. Le proton est une particule stable et possède un élan personnel - spin ½. La désignation physique du proton est p(ou p +)

Un proton est une particule élémentaire qui participe à des processus de type thermonucléaire. C’est ce type de réaction qui constitue essentiellement la principale source d’énergie générée par les étoiles dans tout l’univers. Presque toute la quantité d'énergie libérée par le Soleil n'existe que grâce à la combinaison de 4 protons en un noyau d'hélium avec la formation d'un neutron à partir de deux protons.

Propriétés inhérentes à un proton

Un proton est l'un des représentants des baryons. C'est un fait. La charge et la masse d'un proton sont des quantités constantes. Le proton est chargé électriquement +1 et sa masse est déterminée dans diverses unités de mesure et est en MeV 938,272 0813(58), en kilogrammes de proton, le poids est dans les chiffres 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, en unités de masse atomique, le poids d'un proton est de 1,007 276 466 879(91) a. e.m., et par rapport à la masse de l'électron, le proton pèse 1836,152 673 89 (17) par rapport à l'électron.

Un proton, dont la définition a déjà été donnée ci-dessus, du point de vue de la physique, est une particule élémentaire avec une projection d'isospin +½, et la physique nucléaire perçoit cette particule avec le signe opposé. Le proton lui-même est un nucléon et se compose de 3 quarks (deux quarks u et un quark d).

La structure du proton a été étudiée expérimentalement par le physicien nucléaire des États-Unis d'Amérique, Robert Hofstadter. Pour atteindre cet objectif, le physicien a fait entrer en collision des protons avec des électrons de haute énergie et a reçu le prix Nobel de physique pour sa description.

Le proton contient un noyau (noyau lourd), qui contient environ trente-cinq pour cent de l'énergie de la charge électrique du proton et a une densité assez élevée. La coque entourant le noyau est relativement déchargée. La coquille est principalement constituée de mésons virtuels de type et p et transporte environ cinquante pour cent du potentiel électrique du proton et est située à une distance d'environ 0,25 * 10 13 à 1,4 * 10 13 . Encore plus loin, à une distance d'environ 2,5 * 10 13 centimètres, la coquille est constituée de et w mésons virtuels et contient environ les quinze pour cent restants de la charge électrique du proton.

Stabilité et stabilité des protons

À l’état libre, le proton ne présente aucun signe de désintégration, ce qui indique sa stabilité. L'état stable du proton, en tant que représentant le plus léger des baryons, est déterminé par la loi de conservation du nombre de baryons. Sans violer la loi SBC, les protons sont capables de se désintégrer en neutrinos, positrons et autres particules élémentaires plus légères.

Le proton du noyau des atomes a la capacité de capturer certains types d'électrons ayant des coquilles atomiques K, L, M. Un proton, ayant terminé la capture électronique, se transforme en neutron et libère par conséquent un neutrino, et le « trou » formé à la suite de la capture électronique est rempli d'électrons provenant du dessus des couches atomiques sous-jacentes.

Dans les référentiels non inertiels, les protons doivent acquérir une durée de vie limitée et calculable ; cela est dû à l'effet Unruh (rayonnement), qui dans la théorie quantique des champs prédit la contemplation possible d'un rayonnement thermique dans un référentiel accéléré dans le absence de ce type de rayonnement. Ainsi, un proton, s'il a une durée de vie finie, peut subir une désintégration bêta en un positon, un neutron ou un neutrino, malgré le fait que le processus d'une telle désintégration lui-même est interdit par le ZSE.

Utilisation des protons en chimie

Un proton est un atome H construit à partir d’un seul proton et n’a pas d’électron, donc au sens chimique, un proton est l’un des noyaux d’un atome H. Un neutron associé à un proton crée le noyau d’un atome. Dans le PTCE de Dmitri Ivanovitch Mendeleïev, le numéro d'élément indique le nombre de protons dans l'atome d'un élément particulier, et le numéro d'élément est déterminé par la charge atomique.

Les cations hydrogène sont de très puissants accepteurs d’électrons. En chimie, les protons sont obtenus principalement à partir d'acides organiques et minéraux. L'ionisation est une méthode de production de protons en phases gazeuses.