proton

proton, particule élémentaire constitutive, avec les électrons et les neutrons, des atomes. Le proton est un nucléon, comme le neutron, et entre dans la composition de tous les noyaux atomiques.

Le proton n’est pas une particule fondamentale (au sens strict du terme) : il est lui-même constitué de deux quarks u (up) et d’un quark d (down).

La masse d'un proton est égale à 1,6726 × 10^-27 kg, soit environ 1 836 fois celle d'un électron. En conséquence, la masse d'un atome est presque entièrement contenue dans le noyau. Le proton possède une charge électrique positive égale à la valeur absolue de la charge d'un électron, c'est-à-dire à 1,6 × 10^-19 C. Il possède également un moment angulaire intrinsèque, ou spin, de 1/2, et par conséquent un moment magnétique (de valeur 5,056 × 10^-27 A.m²). En outre, le proton obéit au principe d'exclusion de Pauli. Le numéro atomique d'un élément indique le nombre de protons présents dans le noyau atomique et détermine la nature de l'élément.

À l’instar des autres particules élémentaires, une antiparticule est associée au proton : l'antiproton, également appelé proton négatif. C'est un proton de même charge (négative) que l'électron, mais ce n'est pas un constituant des noyaux atomiques. L'antiproton est stable dans le vide et ne se désintègre pas spontanément. Lorsqu'un antiproton entre en collision avec un neutron, les deux particules se transforment en mésons, particules ayant une période radioactive extrêmement courte. Bien que les physiciens aient envisagé l'existence de cette particule élémentaire dans les années trente, l'antiproton n’a été formellement identifié pour la première fois qu’en 1955 par Emilio Segrè et Owen Chamberlain, à l'université du California Radiation Laboratory.

Les protons sont des éléments essentiels de la matière. Ils sont stables sur des périodes de milliards d'années. Les spécialistes des particules élémentaires cherchent à savoir si une éventuelle désintégration du proton pourrait se produire sur au moins 10³³ années. Cet intérêt est lié à l'établissement de la théorie de grande unification ou des champs unifiée, dont l’objectif est de rassembler les quatre interactions fondamentales de la matière en un seul concept. Des groupes de recherche effectuent des essais dans les gigantesques accélérateurs de particules, afin de détecter une telle désintégration.

Les protons peuvent être obtenus par ionisation d’atomes d’hydrogène, dont les noyaux sont constitués d’un seul proton. Cette méthode de production de protons est à l’origine d’une méthode de détection de protons, réalisée dans des chambres à brouillard, également appelées chambres de Wilson du nom de leur inventeur Charles Wilson. Ce type de détecteur de particules chargées met à profit le fort pouvoir ionisant des protons, qui est aussi à la base de l’utilisation de l’hydrogène dans les torches à plasma.

Une autre méthode de production de protons consiste à arracher un proton à un noyau atomique en le bombardant de particules de haute énergie dans les collisionneurs et autres accélérateurs de particules. Toutefois, si ces accélérateurs permettent de produire des protons, ce sont surtout de grands « consommateurs » de protons. En effet, les protons sont principalement utilisés comme projectiles pour bombarder les noyaux d'un élément qui, en absorbant un proton, va transmuter (transformation d’un élément chimique en un autre). Une autre utilisation des protons en physique nucléaire et des particules consiste à provoquer des collisions entre protons de haute énergie, ce qui, en vertu du principe d’équivalence masse-énergie, va donner naissance à de nombreuses particules. Par ailleurs, un neutron libre est instable et se désintègre spontanément en donnant un proton, un électron et un antineutrino électronique.