D'où vient la masse du proton ?

Structure interne du proton montrant les quarks et les gluons — Représentation artistique de la structure interne d'un proton avec ses trois quarks valences (deux quarks up et un quark down) et l'océan de gluons et paires quark-antiquark qui contribuent à sa masse. Source image : astronoo.com (nouvelle fenêtre)

Le mystère de la masse protonique

Le proton, particule fondamentale constituant avec le neutron le noyau des atomes, possède une masse d'environ \(1,6726 \times 10^{-27}\) kg. Pourtant, si l'on additionne les masses de ses constituants élémentaires - deux quarks up et un quark down - on n'obtient qu'une infime fraction de cette masse. D'où provient alors la majeure partie de la masse du proton? La réponse réside dans l'une des découvertes les plus fascinantes de la physique moderne: l'énergie des interactions entre quarks et gluons au sein du proton.

La composition du proton

Selon le modèle standard de la physique des particules, le proton est composé de trois quarks dits "de valence" (deux quarks up et un quark down) maintenus ensemble par l'interaction forte, portée par des particules appelées gluons. Cependant, la simple somme des masses des quarks de valence ne représente qu'environ 1% de la masse totale du proton:

\(m_{proton} \approx 938 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{up} \approx 2,3 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{down} \approx 4,8 \text{ MeV}/c^2\)
\(2m_{up} + m_{down} \approx 9,4 \text{ MeV}/c^2 \approx 1\% m_{proton}\)

Les 99% restants proviennent principalement de l'énergie cinétique des quarks et de l'énergie des gluons qui les lient, selon la célèbre équivalence masse-énergie d'Einstein \(E = mc^2\).

Le rôle crucial de l'interaction forte

L'interaction forte est si puissante qu'elle confine les quarks à l'intérieur du proton. Les gluons, porteurs de cette force, échangent continuellement de l'énergie entre les quarks et créent également des paires virtuelles quark-antiquark qui apparaissent et disparaissent constamment. Cette "mer" de particules virtuelles contribue de manière significative à la masse du proton.

La théorie décrivant ces interactions est la chromodynamique quantique (QCD), qui présente la particularité d'avoir une constante de couplage qui diminue à haute énergie (liberté asymptotique) mais augmente à basse énergie, expliquant pourquoi les quarks ne peuvent être isolés.

Calculs théoriques et vérifications expérimentales

Calculer la masse du proton à partir des principes premiers de la QCD représente un défi computationnel immense nécessitant des supercalculateurs et des techniques de calcul sur réseau. Ces simulations confirment que la majeure partie de la masse provient bien de l'énergie des gluons et de l'énergie cinétique des quarks.

Expérimentalement, la diffusion profondément inélastique d'électrons sur des protons a permis de sonder la structure interne du proton et de valider les prédictions de la QCD concernant la distribution des quarks et des gluons.

Contributions à la masse du proton
Source de masse	Contribution approximative	Description	Origine physique
Masses des quarks de valence	∼ 1%	Masses propres des quarks up et down	Interaction avec le champ de Higgs
Énergie cinétique des quarks	∼ 32%	Mouvement des quarks à l'intérieur du proton	Confinement par interaction forte
Énergie des gluons	∼ 37%	Champ de gluons liant les quarks	Interaction forte et auto-interaction des gluons
Terme d'anomalie	∼ 30%	Contributions quantiques supplémentaires	Anomalie conformelle en QCD

Source: Revue Modern Physics - Structure du proton (nouvelle fenêtre) et Nature - Calculs de la masse protonique en QCD sur réseau (nouvelle fenêtre).