Ah, je connais celui-ci!

Qu'y a-t-il dans un proton?

Un proton est en fait constitué d ' excitations dans des champs quantiques (un peu comme vagues localisées). Souviens-toi de ça. Chaque fois que vous entendez une autre description de la composition d'un proton, il ne s'agit que d'une approximation du comportement des champs quantiques en termes de quelque chose que les gens sont probablement plus familiers. Nous devons le faire car les champs quantiques se comportent de manière très peu intuitive, donc si vous ne travaillez pas avec toute la machine mathématique de QCD (ce qui est difficile), vous devez créer une sorte de modèle simplifié. à utiliser comme analogie.

L'une des choses les plus déroutantes à propos des excitations de champ quantique est qu'elles réagissent différemment selon la façon dont elles sont observées. Plus précisément, la seule façon de mesurer les propriétés d'une excitation dans un champ quantique est de la faire interagir avec une autre excitation et de voir comment les excitations s'influencent mutuellement. Ou dans le langage des particules, vous devez frapper la particule avec une autre particule (la "sonde") et voir ce qui en sort. En fonction de la charge, de l'énergie, de la quantité de mouvement et d'autres propriétés de la sonde, vous pouvez obtenir divers résultats.

Les gens font cela depuis des décennies et ils ont compilé les résultats en quelques conclusions générales. Par exemple, dans une collision lente, avec très peu d'énergie impliquée, un proton agit comme une particule ponctuelle. Si nous donnons aux particules un peu plus d'énergie, le proton ressemble plus à une goutte avec trois points - c'est en partie pourquoi on dit souvent que le proton se compose de trois quarks. (Incidemment, la raison pour laquelle vous voyez des images comme celle que vous avez trouvée sur Wikipédia est que pendant longtemps, les gens ont heurté des protons aux énergies intermédiaires où ils semblent se comporter comme un groupe de trois quarks.) Si nous donnons même les particules en collision de plus en plus d'énergie, le proton apparaîtra comme un amalgame toujours plus dense de toutes sortes de particules: quarks, antiquarks, gluons, photons, électrons et tout le reste. Nous appelons ces particules partons (car ils font partie du proton).

Le diagramme suivant montre des exemples représentatifs de la composition effective du proton dans différents types de collisions. L'axe vertical correspond essentiellement à l'énergie de collision, et l'axe horizontal correspond au "pouvoir de résolution" de la particule incidente ("sonde"). (Le pouvoir de résolution est fondamentalement un élan transversal, mais je ne peux pas expliquer comment cette connexion fonctionne sans entrer dans plus de détails sur la mécanique quantique que je ne le pense nécessaire.) Le contenu de chaque cercle représente, en gros, un exemple d '"instantané" de la façon dont le le proton se comporte lors d'une collision à l'énergie et à la puissance de résolution correspondantes. Les nombres exacts, les emplacements et les couleurs des points ne sont pas significatifs (sauf en quelque sorte en bas à gauche), notez simplement comment ils deviennent plus grands ou plus petits et plus ou moins nombreux à mesure que vous vous déplacez dans l'intrigue.

Par exemple, si vous frappez un proton avec un faisceau de sondes à haute énergie (en haut) qui ont un faible pouvoir de résolution (à gauche), il se comporte comme un amas dense de partons (quarks et gluons etc.), chacun de ce qui est assez grand. Ou si vous frappez le proton avec un faisceau de sondes à faible énergie (en bas) avec un pouvoir de résolution élevé (à droite), il se comporte comme un amas clairsemé de partons, dont chacun est petit. Si vous le frappez avec un faisceau de sondes à faible énergie (en bas) et à faible pouvoir de résolution (à gauche), il se comporte comme une collection de trois particules.

Les physiciens décrivent cette composition apparemment changeante à l'aide de parton fonctions de distribution (PDF), souvent notées $ f (x, Q ^ 2) $ . Sous certaines hypothèses pas trop folles, $ f (x, Q ^ 2) $ peut être interprété comme la densité de probabilité de l'interaction de la sonde avec un type particulier de parton avec un élan particulier. Visuellement, $ f (x, Q ^ 2) $ est lié au nombre de particules dans le cercle au $ correspondant (x, Q) $ point sur l'intrigue (bien qu'une fois encore, les nombres exacts ne soient pas choisis pour refléter exactement la réalité). Pour plus d'informations sur les distributions parton, je vous renvoie à ma réponse et les ressources qui y sont nommées, ainsi que celle-ci.

la région grise?

Dans l'image précédente, j'ai affiché chaque instantané du proton comme un ensemble de partons (quarks et gluons etc.) uniformément répartis dans un cercle, comme si le proton avait un bord défini et il n'y a rien en dehors de ce bord. Mais en réalité, ce n'est pas le cas. Les champs quantiques qui composent un proton progressivement s’évanouissent à zéro à mesure que vous vous éloignez du centre, ce qui donne au proton un bord flou. Ainsi, un exemple d'instantané (un peu) plus précis ressemblerait à ceci:

Remarquez qu'il y a plus de points près du centre du proton, et progressivement moins à mesure que vous vous déplacez vers le bord; cela représente le fait qu'une sonde qui atteint un point mort d'un proton est plus susceptible d'interagir qu'une sonde qui l'atteint près du bord.

Les distributions de partons ordinaires que j'ai mentionnées ci-dessus, $ f (x, Q ^ 2) $ , font partie d'un modèle simplifié dans lequel nous ignorons ce fait et prétendons que les partons sont répartis uniformément dans l'espace. Mais nous pouvons faire un modèle plus compliqué qui tient en compte le fait que les partons sont groupés vers le centre du proton. Dans un tel modèle, au lieu des distributions de partons régulières, vous obtenez des fonctions plus compliquées, appelées distributions de partons dépendant des paramètres d'impact , et notées $ f (x, Q ^ 2, b) $ , où $ b $ est la distance radiale du centre à laquelle la sonde frappe - le paramètre d'impact.

Il y a eu des études théoriques montrant que ces distributions de partons dépendant des paramètres d'impact diminuent progressivement à mesure que vous atteignez de grands rayons. Par exemple, voir la figure 5 de cet article ( arXiv) ou la figure 7 de celui-ci ( arXiv):

Ici $ N (y) $ est une quantité liée à les distributions de partons (en particulier, c'est l'amplitude de diffusion du dipôle de couleur), qui "condense" les nombreuses distributions de partons en une seule quantité. (Énorme simplification excessive, mais c'est suffisant pour cela.) Vous pouvez ensuite définir l'étendue spatiale du proton comme la région dans laquelle $ N (y) $ est au-dessus, disons 5% de sa valeur maximale. Ou 10%. Ou 50%. Le nombre exact est quelque peu arbitraire, mais le fait est que, quel que soit le nombre que vous choisissez, vous vous retrouverez avec un cercle qui englobe la région dans laquelle la fonction de distribution de partons est grande, un peu comme ceci:

C'est à peu près ce que représente le cercle gris dans l'image de Wikipedia. C'est une région dont la taille est de l'ordre de $ 1 \ text {fm} $ (soit environ 5 $ \ text {GeV} ^ {- 1} $ en unités naturelles), où la probabilité qu'une particule incidente (une sonde) se diffuse sur le proton est relativement importante. De manière équivalente, c'est la région dans laquelle les distributions de partons sont grandes, et aussi la région dans laquelle les champs quantiques qui constituent le proton sont très différents de zéro.

Comme vous pouvez le deviner, tout cela est assez imprécis. Vous pouvez faire une définition plus rigoureuse de la taille d’un proton en utilisant la section efficace de diffusion. Vous pouvez également obtenir une définition sans utiliser de diffusion, en utilisant le rayon de charge, qui peut être mesuré ou calculé à l'aide de diverses autres méthodes. Je n'entrerai pas dans ceux-ci, car les détails seraient importants pour une question entièrement séparée, mais les résultats de toutes ces méthodes sortent dans un rayon un peu inférieur à $ 1 \ text { fm} $ .

Par ailleurs, cette affirmation selon laquelle un proton est vide à 99% est probablement fausse en utilisant une définition raisonnable. Vous pensez peut-être aux atomes , où le volume dans lequel le champ quantique de l'électron a une valeur appréciable est beaucoup plus grand que la taille de l'électron lui-même, quel qu'il soit. Les gens simplifient parfois cela pour dire que l'atome est constitué d'une grande fraction d'espace vide. Mais vous ne pouvez pas vraiment faire la même chose avec un proton, étant donné le grand nombre de particules qu'il contient et la force de leurs interactions.

L'illustration ne montre pas la réalité physique soulignée. Un proton est composé de 3 quarks, à savoir $ uud $, mais il est également constitué, comme l'a souligné jinawee , de les quarks virtuels et les antiquarks qui sont constamment créés et annihilés par une force puissante médiée par des gluons, décrite par Quantum Chromodynamics (QCD).

La sphère grise sur le site de Wikipedia montre la région où les quarks produisent le proton, en d'autres termes, si la fonction d'onde montre la probabilité de trouver une particule dans une région de l'espace, alors cette sphère montre la probabilité où vous pouvez trouver les quarks essentiels constituant un proton.

Vous ne pouvez pas considérer un proton comme trois quarks (appelés quarks de valence, car ils déterminent les nombres quantiques) parce que les quarks et antiquarks virtuels sont constamment créés et anhilés par une force forte. Ainsi, un proton ressemble plus à une mer de quarks . En fait, ce processus donne la majeure partie de la masse du proton (les quarks de valence ne sont que les 2% de la masse).

C'est quelque chose comme ça:

Les lignes qui relient les quarks sont des gluons (les particules porteuses de force de l'interaction forte).

La question que vous vous posez a reçu une réponse en termes de description vulgarisée.

L'image réelle de la physique n'est pas simple et dépend beaucoup d'un certain nombre de mesures expérimentales par de nombreuses expériences. Si vous regardez la figure 9.18 du lien, vous verrez que la composition du proton change en fonction du transfert d'impulsion de la particule de sonde.

Contrairement à l'affirmation selon laquelle il s'agit principalement d'un espace vide, ce n'est pas le cas. Les particules sondant le proton ne naviguent pas indemnes, elles interagissent avec les quarks et les gluons qui le composent et nous obtenons ainsi les fonctions de partons dans la figure. La raison pour laquelle il n'est pas généralement vide est que la chromodynamique quantique, contrairement aux autres forces, ne diminue pas avec la distance, mais augmente, donc les constituants sont étroitement liés.

Donc, la réponse à "ce qui est à l'intérieur du proton" est "cela dépend de la façon dont vous regardez à l'intérieur". De l'extérieur, les nombres quantiques lui sont assignés par les trois quarks de valence.

Le vrai problème ici est que lorsque les choses deviennent vraiment très petites, elles ne se comportent pas comme le monde que nous voyons autour de nous. Cela peut rendre une grande partie de ce qui se passe dans ce monde étrange assez difficile à comprendre.

Le diagramme est trompeur. Les protons ne sont pas vraiment des taches grises rondes et les quarks ne sont pas vraiment de petites sphères qui se trouvent à l'intérieur. Au niveau subatomique, les règles de la mécanique quantique .

L'un des résultats étranges de la mécanique quantique est que de très petites choses n'occupent en fait pas un seul espace. Jetez un œil à votre main. C'est là, non? En un seul et même endroit. Si vous l'enroulez en un poing, cela prend moins de place, et si vous l'étirez, cela prend plus. Mais c'est toujours au même endroit.

Les choses vraiment minuscules ne fonctionnent pas comme ça. Au lieu de cela, ils occupent plusieurs points dans l'espace en même temps. Nous dessinons généralement des diagrammes où les positions réelles de petites choses sont représentées comme des nuages: ils sont à de nombreux endroits, tous à la fois.

Les quarks sont comme ça aussi. Ils sont maintenus ensemble par des forces incroyablement fortes, mais ils essaient aussi de s'éloigner les uns des autres. Comme lorsque vous êtes dans une voiture avec vos parents sur un long trajet en voiture. Que dois-je faire lors d'un long trajet en voiture avec mes parents? Je remue. Je ne pourrais pas vous dire où je serai - siège avant, siège arrière - parce que je bouge constamment. Mais vous savez que je suis quelque part dans la voiture, même si vous ne pouvez pas me dire exactement où.

Et donc avec les quarks, avec une torsion: ils sont vraiment dans plusieurs différents endroits en même temps. Ce que nous savons, c'est qu'ils restent très probablement dans une limite: dans ce cas, le cercle gris du proton.

Quant aux 99% d'espace vide, le chiffre réel est bien plus élevé que cela. Très peu est en fait «composé» de matière (nous appelons généralement des particules de type matière «hadrons»). Alors pourquoi ne pas tomber à travers les choses tout le temps? Pourquoi mon ordinateur portable ne glisse-t-il pas dans mon bureau, si ce n'est presque rien? Eh bien, parce que les forces entre ces minuscules particules sont énormes, par rapport à leur taille (et, plus important encore, par rapport à leur masse). Cela leur permet de rester à une distance équilibrée les uns des autres et empêche toute autre chose de s'approcher trop près d'eux ou de tomber «entre» les particules. Lorsque vous attrapez une balle, les particules dans votre main et les particules dans la balle ne se rapprochent même jamais du «toucher», car les forces entre les particules sont si fortes. Au lieu de cela, la balle est «repoussée» de votre main. Cette répulsion s'équilibre contre la force de la balle due à la gravité, donc la balle reste où elle est.

TL; DR: Le diagramme fait de son mieux pour expliquer comment les choses fonctionnent à très petite échelle. Malheureusement, c'est très trompeur. L'espace entre les particules est a) pas vraiment de l'espace, mais des `` nuages ​​de points '' de positions possibles des particules (il y a une bouchée), et b) ce sont les forces entre les particules, plutôt que les particules elles-mêmes, qui arrêtent `` l'espace vide '' dans le proton est quelque chose que vous pourriez réellement traverser.

Comme certaines réponses l'ont souligné, la "boule grise" montrée dans l'image n'est pas vraiment une entité physique en soi. Il s'agit davantage de la vision classique que nous avons des particules subatomiques comme étant un objet solide, alors qu'en fait elles ne le sont pas. C'est une représentation du rayon moyen de la particule.

Lorsque vous effectuez une expérience pour détecter le proton, vous avez une certaine probabilité de le trouver à l'intérieur de la zone grise, mais aussi une petite de le trouver à l'extérieur . Donc, une meilleure façon de le montrer serait de représenter la balle avec une nuance de gris plus claire lorsque vous vous éloignez du centre de la particule. Cela donnerait une meilleure idée du fait que la particule n'est pas un solide avec des arêtes définies. Lorsque vous vous éloignez de la position attendue (le centre de la zone grise), il est de moins en moins probable de détecter le proton.

Le fait est que ce n'est pas une image d'un proton; c'est une représentation schématique. Vous pouvez le voir comme un diagramme d'Euler qui dit que dans le proton vous avez 3 quarks de valence et quelques gluons.

Au fait, les constituants exacts d'un proton reste une question ouverte.