Dernière mise à jour : 24 février 2026

Au cœur de la matière : les secrets bien gardés du proton

Visualisation artistique de la structure interne chaotique d'un proton, avec ses quarks et gluons en interaction

Le proton, cette particule que l'on croyait comprendre

Depuis sa découverte en 1919 par Ernest Rutherford (1871-1937), le proton nous semble familier. Avec le neutron, il forme le noyau des atomes, et donc 99,9 % de la matière visible. Pourtant, plus d'un siècle plus tard, cette particule continue de défier la compréhension des physiciens. Sa taille exacte, l'origine de sa masse, la stabilité de sa composition interne : autant de mystères qui résistent encore. Depuis lors, des générations de physiciens ont sondé cette particule avec des instruments de plus en plus puissants. Malgré cela, le proton garde jalousement plusieurs de ses secrets fondamentaux.

La réponse tient en deux mots : chromodynamique quantique (QCD).

Le défi mental du monde quantique

Si la physique quantique est si contre-intuitive, c'est que notre cerveau, façonné par des millions d'années d'évolution dans un monde de pierres et d'arbres, n'est pas outillé pour visualiser le monde quantique. Nous cherchons instinctivement une image : une petite bille dure, un noyau compact entouré d'électron(s) en orbite, à la manière d'un système solaire miniature. Cette image, popularisée par les manuels scolaires, est fondamentalement erronée.

Au cœur de la matière, la réalité n'existe pas. Une particule du monde quantique (électron, quarks, etc.) est une entité régie par des probabilités. Visualiser un atome, c'est donc "voir" une carte de probabilités, un nuage flou où la densité du nuage représente la chance de trouver la particule. Pour le proton, il faut imaginer une boule d'énergie frémissante, où des paires de particules virtuelles jaillissent et s'annihilent sans cesse, un chaos ordonné par les lois de la chromodynamique quantique.

1ᵉʳ mystère : La masse du proton

Le proton a une masse d'environ \(938{,}3\) MeV/c². Pourtant, si l'on additionne les masses des trois quarks constitutifs, on n'obtient que quelques MeV, soit moins de 1 % de la masse totale. D'où vient le reste ? La réponse tient en un mot : l'énergie.

En vertu de la célèbre équivalence de Albert Einstein (1879-1955), \(E = mc^2\), la masse n'est qu'une forme condensée d'énergie. À l'intérieur du proton, les quarks sont en mouvement perpétuel et les champs de gluons qui les relient interagissent sans cesse entre eux, engendrant des paires virtuelles quark-antiquark en permanence. C'est ce bouillonnement quantique, cette énergie confinée dans un volume infime, qui constitue l'essentiel de la masse du proton. Celle-ci n'est donc pas une propriété intrinsèque des quarks qui la composent, mais de l'énergie pure piégée par la force nucléaire forte. Mais le vrai mystère n'est pas là.

Le mystère, c'est que les gluons sont des particules de masse nulle. Comment l'interaction forte parvient-elle à piéger une énergie si colossale dans un volume si infime ? Et surtout, pourquoi les calculs directs à partir de la QCD restent-ils si difficiles, au point que les supercalculateurs peinent encore à reproduire la valeur exacte de cette masse ?

La masse du proton est la manifestation visible d'une physique cachée, celle du vide quantique et de la force la plus puissante de l'Univers. Comprendre son origine, c'est comprendre comment l'invisible devient matière.

2ᵉ mystère : L'énigme du spin du proton

Le spin est une propriété quantique des particules, souvent comparée (à tort) à une rotation sur elles-mêmes. Dans les années 1980, les expériences de diffusion profondément inélastique ont révélé une anomalie. La somme des spins des quarks de valence ne représentait qu'une faible fraction du spin total du proton.

Où est passé le spin ? La réponse se trouve probablement dans deux contributions : le spin des gluons, qui peuvent contribuer via leur propre moment cinétique et le mouvement orbital des quarks et des gluons à l'intérieur du proton.

Des expériences comme celles du RHIC tentent de démêler ces contributions, mais le casse-tête reste entier.

3ᵉ mystère : le confinement des quarks

Les quarks n'ont jamais été observés à l'état libre. Ils sont toujours emprisonnés à l'intérieur des hadrons, liés entre eux par des gluons. Ce phénomène, appelé confinement, est l'une des caractéristiques les plus déroutantes de la QCD.

Son mécanisme est contre-intuitif : plus on tente d'écarter deux quarks, plus la force qui les relie augmente, à l'inverse de ce que l'on observe en électromagnétisme. L'énergie stockée dans le tube de champ de gluons croît linéairement avec la distance. Lorsque cette énergie dépasse le seuil de création d'une paire quark-antiquark, la corde se rompt et donne naissance à de nouveaux hadrons. Un quark libre n'apparaît jamais : la nature semble interdire toute charge de couleur isolée.

Les simulations de QCD sur réseau, dont les bases furent posées par Kenneth Wilson (1936-2013), permettent de reproduire numériquement le confinement avec une bonne précision. Mais une simulation n'est pas une preuve. Comprendre pourquoi la nature confine les quarks reste l'une des questions les plus profondes de toute la physique théorique.

Tableau récapitulatif des mystères du proton

Les trois grands mystères non résolus du proton
Mystère	Observation	Ce que la théorie prédit	Ce qui reste inexpliqué
Origine de la masse	Le proton pèse \(938{,}3\) MeV/c², soit ~100 fois la masse cumulée de ses quarks	La QCD attribue la masse à l'énergie cinétique des quarks et aux champs de gluons (\(E = mc^2\))	Aucun calcul analytique rigoureux depuis les premiers principes ; seules les simulations de QCD sur réseau approchent le résultat
Origine du spin	Le proton a un spin de \(\frac{1}{2}\) (en unités de \(\hbar\))	Les trois quarks de valence devraient en être la source principale	Les quarks ne contribuent qu'à ~30 % du spin total ; gluons et moments orbitaux comblent le reste de façon encore imprécise
Confinement des quarks	Aucun quark libre n'a jamais été observé dans la nature	La QCD prédit que la force entre quarks croît avec la distance, rendant leur séparation impossible	Aucune démonstration mathématique formelle du confinement

N.B. : Ces trois mystères sont intimement liés : le confinement conditionne la structure interne du proton, qui détermine à la fois la distribution de masse et la répartition du spin. Le futur EIC (Electron-Ion Collider), dont la mise en service est prévue autour de 2030-2035, est conçu spécifiquement pour apporter des réponses quantitatives à ces questions ouvertes.