Nucléon - Nucleon

Un noyau atomique est représenté ici comme un faisceau compact des deux types de nucléons, les protons (rouge) et les neutrons (bleu). Sur cette image, les protons et les neutrons sont représentés comme distincts, ce qui est le point de vue conventionnel en chimie , par exemple. Mais dans un noyau réel, tel que l'entend la physique nucléaire moderne , les nucléons sont partiellement délocalisés et s'organisent selon les lois de la chromodynamique quantique .

En chimie et en physique , un nucléon est soit un proton, soit un neutron , considéré dans son rôle de composant d'un noyau atomique . Le nombre de nucléons dans un noyau définit un isotope du » numéro de masse (numéro de nucléon) .

Jusqu'aux années 1960, les nucléons étaient considérés comme des particules élémentaires , non constituées de parties plus petites. On sait maintenant qu'il s'agit de particules composites , constituées de trois quarks liés entre eux par l' interaction forte . L'interaction entre deux ou plusieurs nucléons est appelée interaction internucléon ou force nucléaire , qui est également finalement causée par l'interaction forte. (Avant la découverte des quarks, le terme « interaction forte » désignait uniquement les interactions internucléons.)

Les nucléons se trouvent à la frontière où la physique des particules et la physique nucléaire se chevauchent. La physique des particules, en particulier la chromodynamique quantique , fournit les équations fondamentales qui décrivent les propriétés des quarks et de l'interaction forte. Ces équations décrivent quantitativement comment les quarks peuvent se lier en protons et neutrons (et tous les autres hadrons ). Cependant, lorsque plusieurs nucléons sont assemblés en un noyau atomique ( nucléide ), ces équations fondamentales deviennent trop difficiles à résoudre directement (voir QCD sur réseau ). Au lieu de cela, les nucléides sont étudiés au sein de la physique nucléaire , qui étudie les nucléons et leurs interactions par des approximations et des modèles, tels que le modèle de coque nucléaire . Ces modèles peuvent décrire avec succès les propriétés des nucléides, comme par exemple, si un nucléide particulier subit ou non une désintégration radioactive .

Le proton et le neutron sont dans un schéma de catégories étant à la fois des fermions , des hadrons et des baryons . Le proton porte une charge nette positive et le neutron porte une charge nette nulle; la masse du proton n'est qu'environ 0,13 % inférieure à celle du neutron. Ainsi, ils peuvent être considérés comme deux états du même nucléon, et forment ensemble un doublet isospin ( I = 1/2). Dans l'espace isospin, les neutrons peuvent être transformés en protons et inversement par des symétries SU(2) . Ces nucléons sont également sollicités par l'interaction forte, invariante par rotation dans l'espace isospin. D'après le théorème de Noether , l'isospin est conservé par rapport à l'interaction forte.

Aperçu

Propriétés

Composition en quarks d'un nucléon

Proton (
p
):
vous

vous

ré

Neutron (
m
):
vous

ré

ré

Antiproton (
p
):
vous

vous

ré

Antineutron (
m
):
vous

ré

ré

Un proton (p) est composé de deux quarks up (u) et d'un quark down (d) : uud. Un neutron (n) possède un quark up (u) et deux quarks down (d) : udd. Un antiproton (
p
) a deux antiquarks up (
vous
) et un antiquark duvet (
ré
):
vous

vous

ré
. Un antineutron (
m
) a un antiquark up (
vous
) et deux antiquarks duvets (
ré
):
vous

ré

ré
. La charge de couleur ( assignation de couleur ) des quarks individuels est arbitraire, mais les trois couleurs (rouge, vert, bleu) doivent être présentes.

Les protons et les neutrons sont surtout connus pour leur rôle de nucléons, c'est-à-dire de composants des noyaux atomiques, mais ils existent également en tant que particules libres. Les neutrons libres sont instables, avec une demi-vie d'environ 13 minutes, mais ils ont des applications importantes (voir rayonnement neutronique et diffusion neutronique ). Les protons non liés à d'autres nucléons sont les noyaux des atomes d'hydrogène lorsqu'ils sont liés à un électron ou – s'ils ne sont liés à rien – sont des ions ou des rayons cosmiques.

Le proton et le neutron sont tous deux des particules composites , ce qui signifie que chacune est composée de parties plus petites, à savoir trois quarks chacune ; bien qu'une fois pensé pour être ainsi, ni l'un ni l'autre n'est une particule élémentaire . Un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down , tandis que le neutron a un quark up et deux quarks down. Les quarks sont maintenus ensemble par la force forte , ou de manière équivalente, par des gluons , qui assurent la médiation de la force forte au niveau des quarks.

Un quark up a une charge électrique ++2/3 e , et un quark down a une charge −+1/3 e , donc les charges électriques sommées du proton et du neutron sont + e et 0, respectivement. Ainsi, le neutron a une charge de 0 (zéro), et est donc électriquement neutre ; en effet, le terme « neutron » vient du fait qu'un neutron est électriquement neutre.

Les masses du proton et du neutron sont similaires : pour le proton c'est 1,6726 × 10 ⁻²⁷  kg (938,27  MeV/ c ² ), alors que pour le neutron c'est1,6749 × 10 ⁻²⁷  kg (939,57  MeV/ c ² ); le neutron est environ 0,13 % plus lourd. La similitude de masse peut s'expliquer grossièrement par la légère différence de masses des quarks up et down quarks composant les nucléons. Cependant, une description détaillée reste un problème non résolu en physique des particules.

Le spin du nucléon est1/2, ce qui signifie que ce sont des fermions et, comme les électrons , sont soumis au principe d'exclusion de Pauli : pas plus d'un nucléon, par exemple dans un noyau atomique, ne peut occuper le même état quantique .

Les nombres quantiques d' isospin et de spin du nucléon ont chacun deux états, ce qui donne quatre combinaisons au total. Une particule alpha est composée de quatre nucléons occupant les quatre combinaisons, à savoir, elle a deux protons (ayant un spin opposé ) et deux neutrons (ayant également un spin opposé), et son spin nucléaire net est nul. Dans les noyaux plus gros, les nucléons constitutifs, par exclusion de Pauli, sont contraints d'avoir un mouvement relatif , ce qui peut également contribuer au spin nucléaire via le nombre quantique orbital . Ils se sont répandus en couches nucléaires analogues aux couches d' électrons connues de la chimie.

Le moment magnétique d'un proton, notée μ _p , est2,79  μ _N (où μ _N représente l'échelle atomique unité de mesure appelée magnéton nucléaire ). Le moment magnétique d'un neutron est μ _n =-1,91  μ _N . Ces paramètres sont également importants en RMN/IRM .

Stabilité

Un neutron à l'état libre est une particule instable, avec une demi-vie d' environ dix minutes. il subit
??⁻
désintégration (un type de désintégration radioactive ) en se transformant en proton tout en émettant un électron et un antineutrino électronique . (Voir l' article sur les neutrons pour plus de détails sur la désintégration des neutrons.) Un proton en lui-même est considéré comme stable, ou du moins sa durée de vie est trop longue pour être mesurée. Il s'agit d'une discussion importante en physique des particules (voir Désintégration du proton ).

À l'intérieur d'un noyau, en revanche, les protons et les neutrons combinés (nucléons) peuvent être stables ou instables selon le nucléide ou l'espèce nucléaire. À l'intérieur de certains nucléides, un neutron peut se transformer en proton (produisant d'autres particules) comme décrit ci-dessus ; l'inverse peut se produire à l'intérieur d'autres nucléides, où un proton se transforme en neutron (produisant d'autres particules) à travers
??⁺
désintégration ou capture d'électrons . Et à l'intérieur d'autres nucléides, les protons et les neutrons sont stables et ne changent pas de forme.

Antinucléons

Les deux nucléons ont des antiparticules correspondantes : l' antiproton et l' antineutron , qui ont respectivement la même masse et la même charge opposée que le proton et le neutron, et ils interagissent de la même manière. (Ceci est généralement considéré comme exactement vrai, en raison de la symétrie CPT . S'il y a une différence, elle est trop petite pour être mesurée dans toutes les expériences à ce jour.) En particulier, les antinucléons peuvent se lier à un "antinoyau". Jusqu'à présent, les scientifiques ont créé des noyaux antideutérium et antihélium-3.

Tableaux des propriétés détaillées

Nucléons

^a Les masses du proton et du neutron sont connues avec une bien plus grande précision endaltons(Da) qu'en MeV/c^{2 en}raison de la manière dont elles sont définies. Le facteur de conversion utilisé est 1 Da = 931.494 028 (23) MeV/ c ² .

^b Au moins 10³⁵ans. Voirdésintégration du proton.

^c Pourles neutrons libres; dans les noyaux les plus courants, les neutrons sont stables.

Les masses de leurs antiparticules sont supposées identiques, et aucune expérience n'a réfuté cela à ce jour. Les expériences actuelles montrent que toute différence relative entre les masses du proton et de l'antiproton doit être inférieure à2 × 10 ⁻⁹ et la différence entre les masses des neutrons et des antineutrons est de l'ordre de(9 ± 6) × 10 ⁻⁵  MeV/ c ² .

Tests d'invariance CPT proton-antiproton

Test	Formule	Résultat du PDG
Masse	${\displaystyle {\frac {|m_{\rm {p}}-m_{\bar {\rm {p}}}|}{m_{\rm {p}}}}}$	<2 × 10 −9
Rapport charge/masse	${\displaystyle {\frac {\left|{\frac {q_{\bar {\rm {p}}}}{m_{\bar {\rm {p}}}}}\right|}{\left( {\frac {q_{\rm {p}}}{m_{\rm {p}}}}\right)}}}$	0,999 999 999 91 (9)
Rapport charge/masse/masse	${\displaystyle {\frac {\left|{\frac {q_{\bar {\rm {p}}}}{m_{\bar {\rm {p}}}}}\right|-{\frac { q_{\rm {p}}}{m_{\rm {p}}}}}{\frac {q_{\rm {p}}}{m_{\rm {p}}}}}}$	(−9 ± 9) × 10 −11
Charger	${\displaystyle {\frac {\left|q_{\rm {p}}+q_{\bar {\rm {p}}}\right|}{e}}}$	<2 × 10 −9
Charge électronique	${\displaystyle {\frac {\left|q_{\rm {p}}+q_{\rm {e}}\right|}{e}}}$	<1 × 10 −21
Moment magnétique	${\displaystyle {\frac {\left|\mu _{\rm {p}}+\mu _{\bar {p}}\right|}{\mu _{\rm {p}}}}}$	(−0,1 ± 2,1) × 10 −3

Résonances nucléons

Les résonances de nucléons sont des états excités de particules de nucléons, correspondant souvent à l'un des quarks ayant un état de spin inversé , ou avec un moment angulaire orbital différent lorsque la particule se désintègre. Seules les résonances classées 3 ou 4 étoiles au Particle Data Group (PDG) sont incluses dans ce tableau. En raison de leur durée de vie extraordinairement courte, de nombreuses propriétés de ces particules sont encore à l'étude.

Le format du symbole est donné par N( m ) L _IJ , où m est la masse approximative de la particule, L est le moment angulaire orbital (dans la notation spectroscopique ) de la paire nucléon–méson, produite lors de sa désintégration, et I et J sont l' isospin et le moment cinétique total de la particule respectivement. Puisque les nucléons sont définis comme ayant1/2isospin, le premier nombre sera toujours 1, et le deuxième nombre sera toujours impair. Lorsqu'on discute des résonances nucléoniques, parfois le N est omis et l'ordre est inversé, sous la forme L _IJ ( m ); par exemple, un proton peut être noté "N(939) S ₁₁ " ou "S ₁₁ (939)".

Le tableau ci-dessous répertorie uniquement la résonance de base ; chaque entrée individuelle représente 4  baryons : 2 particules de résonances nucléiques et leurs 2 antiparticules. Chaque résonance existe sous une forme avec une charge électrique positive ( Q ), avec une composition en quarks de
vous

vous

ré
comme le proton, et une forme neutre, avec une composition en quarks de
vous

ré

ré
comme le neutron, ainsi que les antiparticules correspondantes avec des compositions d'antiquarks de
vous

vous

ré
et
vous

ré

ré
respectivement. Puisqu'elles ne contiennent pas de quarks étranges , charmés , inférieurs ou supérieurs , ces particules ne possèdent pas d' étrangeté , etc.

Le tableau ne liste que les résonances avec un isospin =1/2. Pour les résonances avec isospin =3/2, voir l' article sur les baryons Delta .

† La P ₁₁ (939) nucléon représente l'état excité d'un proton normal ou neutrons. Une telle particule peut être stable lorsqu'elle se trouve dans un noyau atomique, par exemple dans le lithium-6 .

Classification des modèles de quarks

Dans le modèle des quarks à saveur SU(2) , les deux nucléons font partie du doublet d'état fondamental. Le proton a une teneur en quarks uud , et le neutron, udd . Dans la saveur SU(3) , ils font partie de l'octet d'état fondamental ( 8 ) de spin -1/2 baryons , connu sous le nom de la voie octuple . Les autres membres de cet octet sont les hypérons étranges isotriplets
??⁺
,
??⁰
,
??⁻
, les
??
et l'étrange isodoublet
??⁰
,
??⁻
. On peut étendre ce multiplet dans la saveur SU(4) (avec l'inclusion du quark charm ) à l'état fondamental 20 -plet, ou à la saveur SU(6) (avec l'inclusion des quarks top et bottom ) au sol -state 56 -plet.

L'article sur l' isospin fournit une expression explicite des fonctions d'onde des nucléons en termes d'états propres de la saveur des quarks.

Des modèles

Bien que l'on sache que le nucléon est composé de trois quarks, en 2006, on ne sait pas comment résoudre les équations du mouvement pour la chromodynamique quantique . Ainsi, l'étude des propriétés à basse énergie du nucléon est réalisée à l'aide de modèles. La seule approche de premier principe disponible est de tenter de résoudre numériquement les équations de la QCD, en utilisant la QCD sur réseau . Cela nécessite des algorithmes compliqués et des supercalculateurs très puissants . Cependant, plusieurs modèles analytiques existent également :

Modèles de Skyrmion

Le skyrmion modélise le nucléon comme un soliton topologique dans un champ de pions SU(2) non linéaire . La stabilité topologique du skyrmion est interprétée comme la conservation du nombre de baryons , c'est-à-dire la non désintégration du nucléon. La densité de nombres d'enroulements topologiques locaux est identifiée avec la densité de nombres de baryons locaux du nucléon. Avec le champ de vecteurs pion isospin orienté sous la forme d'un espace hedgehog , le modèle est facilement résoluble, et est donc parfois appelé modèle hedgehog . Le modèle hedgehog est capable de prédire les paramètres de basse énergie, tels que la masse du nucléon, le rayon et la constante de couplage axial , jusqu'à environ 30 % des valeurs expérimentales.

modèle de sac MIT

Le modèle de sac du MIT confine les quarks et les gluons interagissant via la chromodynamique quantique dans une région de l'espace déterminée en équilibrant la pression exercée par les quarks et les gluons contre une pression hypothétique exercée par le vide sur tous les champs quantiques colorés. L'approximation la plus simple du modèle confine trois quarks n'interagissant pas dans une cavité sphérique, avec la condition aux limites que le courant de vecteur de quark s'annule sur la frontière. Le traitement sans interaction des quarks est justifié en faisant appel à l'idée de liberté asymptotique , alors que la condition de frontière dure est justifiée par le confinement des quarks .

Mathématiquement, le modèle ressemble vaguement à celui d'une cavité radar , avec des solutions de l' équation de Dirac pour les solutions des équations de Maxwell , et la condition aux limites de courant de vecteur de fuite représentant les parois métalliques conductrices de la cavité radar. Si le rayon du sac est défini sur le rayon du nucléon, le modèle du sac prédit une masse de nucléon qui se situe à moins de 30 % de la masse réelle.

Bien que le modèle de sac de base ne fournisse pas d'interaction à médiation pion, il décrit parfaitement les forces nucléon-nucléon à travers le mécanisme du canal s à 6 quarks bag en utilisant la matrice P.

Modèle de sac chiral

Le modèle de sac chiral fusionne le modèle de sac MIT et le modèle skyrmion . Dans ce modèle, un trou est percé au milieu du skyrmion et remplacé par un modèle de sac. La condition aux limites est fournie par l'exigence de continuité du courant vectoriel axial à travers la limite du sac.

Très curieusement, la partie manquante du nombre d'enroulement topologique (le nombre de baryons) du trou percé dans le skyrmion est exactement constituée par la valeur d'espérance de vide non nulle (ou asymétrie spectrale ) des champs de quarks à l'intérieur du sac. À partir de 2017, ce compromis remarquable entre la topologie et le spectre d'un opérateur n'a aucun fondement ou explication dans la théorie mathématique des espaces de Hilbert et leur relation avec la géométrie .

Plusieurs autres propriétés du sac chiral sont remarquables : il offre un meilleur ajustement aux propriétés des nucléons de basse énergie, à 5-10 % près, et celles-ci sont presque complètement indépendantes du rayon du sac chiral, tant que le rayon est inférieur que le rayon du nucléon. Cette indépendance de rayon est appelé le principe de chat de Cheshire , après la disparition progressive de Lewis Carroll de Cheshire Cat juste son sourire. On s'attend à ce qu'une solution des premiers principes des équations de la CDQ démontre une dualité similaire des descriptions quark-pion.

Voir également

• Hadrons
• Interaction électrofaible

Notes de bas de page

Les références

Listes de particules

Lectures complémentaires

• Thomas, AW ; Weise, W. (2001). La structure du nucléon . Berlin, DE : Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7.
• Brown, G.E. ; Jackson, AD (1976). L'interaction nucléon-nucléon . Éditions de Hollande du Nord . ISBN 978-0-7204-0335-0.
• Nakamura, N.; Groupe de données de particules ; et al. (2011). "Révision de la physique des particules" . Journal de physique G . 37 (7): 075021. bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N . doi : 10.1088/0954-3899/37/7A/075021 .