Composition d'un électron, quarks

[Quarkonium]

L'interaction forte est un peu différente : les quarks, qui y sont sensibles, restent toujours confinés à l'intérieur d'un hadron (comme le proton ou le neutron, mais il y en a d'autres). La particule médiatrice de l'interaction forte est appelée gluon, c'est l'équivalent du photon pour l'interaction EM.

Le proton peut être vu à la base comme composé de trois quarks, appelés quarks de valence. Mais ces quarks peuvent interagir entre eux via l'échange de gluons. Le proton contient donc des gluons en plus des trois quarks de valence. Mais ce n'est pas tout : un gluon peut s'annihiler en une paire quark-antiquark, voire se "fragmenter" une paire de gluons (ce dernier processus étant propre à l'interaction forte : un photon ne peut pas se fragmenter en autres photons). Des interactions entre nos quarks de valence peut ainsi naître une myriade de quarks/antiquarks/gluons couramment appelée mer de partons.

Toute cette dynamique n'est pas facile à voir de prime abord puisque les partons restent toujours confinés à l'intérieur des hadrons : il n'y a pas de quark ou de gluon se baladant seul dans l'espace comme les photons d'une lampe ou les électrons dans les tubes cathodiques.

Un effet toutefois frappant de la mer de partons est visible lorsqu'on s'intéresse à la masse du proton, par exemple. La masse des trois quarks de valence, les composants "de base" du proton, ne représente que quelques % de la masse du proton. Le reste de sa masse lui vient de la masse et de l'énergie cinétique de la mer de partons.

Rappelons qu'en relativité restreinte, incluse dans la TQC, la masse et l'énergie cinétique ne sont que deux formes d'énergie ; puisque les partons sont confinés à l'intérieur du proton, leur énergie cinétique contribue à la masse de ce dernier. Chose encore plus surprenante, ce sont les gluons, qui n'ont pas de masse eux-mêmes, qui contribuent le plus à la masse du proton, via leur énergie cinétique !
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[andretou]

Merci Quarkonium pour toutes ces informations.

Chose encore plus surprenante, ce sont les gluons, qui n'ont pas de masse eux-mêmes, qui contribuent le plus à la masse du proton, via leur énergie cinétique !

On peut donc calculer l'énergie cinétique d'une particule sans masse ??? Comment est-ce possible ?

[Quarkonium]

si

L'énergie totale d'une particule est égale à son énergie cinétique + son énergie "de masse", donc pour une particule sans masse, énergie cinétique = énergie totale. Je ne saisis pas la difficulté conceptuelle qui te bloque ?

[andretou]

En effet, j'ai bêtement associé l'énergie cinétique et la formule classique E_c = 1/2mv²...

Du coup, conformément à la relativité restreinte, les gluons se déplacent à la vitesse de la lumière ?
Si tel est le cas, alors puisque la masse des protons et des neutrons provient essentiellement des gluons, ceci signifierait-il que notre propre masse est essentiellement générée par des particules fantomatiques et éphémères de masse nulle se déplaçant à la vitesse de la lumière dans un minuscule triangle délimité par les 3 quarks de valence ?...

[Quarkonium]

Du coup, conformément à la relativité restreinte, les gluons se déplacent à la vitesse de la lumière ?
Si tel est le cas, alors puisque la masse des protons et des neutrons provient essentiellement des gluons, ceci signifierait-il que notre propre masse est essentiellement générée par des particules fantomatiques et éphémères de masse nulle se déplaçant à la vitesse de la lumière dans un minuscule triangle délimité par les 3 quarks de valence ?...

Correct, à part pour le fait de délimiter un proton par le triangle que forment ses quarks de valence (ne serait-ce que pour l'incertitude sur leur position inhérente à la physique quantique). De façon plus générale, parler de taille et forme d'une particule en physique quantique est une chose complexe et on peut facilement se faire de fausses idées.

[andretou]

Et pourrais-tu STP expliquer également comment intervient le fameux boson du Higgs dans la masse des quarks ? Quel est le lien entre les gluons et les bosons de Higgs ?

[Quarkonium]

Je suis moins à l'aise avec cette partie du Modèle Standard, mais je vais tenter une explication simple (et très incomplète) :

Sans mécanisme de Higgs, tous les bosons vecteurs des interactions fondamentales devraient être dépourvus de masse. C'est ce qui est constaté pour le photon et le gluon, mais pas les bosons W+, W- et Z0, qui sont les vecteurs de l'interaction faible.
A la base, le mécanisme de Higgs a donc été introduit pour expliquer la masse de ces trois bosons.

Petit rappel sur la théorie quantique des champs : il existe un champ pour chaque type de particule fondamentale observée. Il y a un champ d'électrons, de photons, de chaque type de quarks, de gluons, de bosons W+,W-,Z0 etc...
L'état fondamental d'un champ (celui de plus basse énergie) est appelé vide : il n'y aucune excitation du champ présente à l'endroit où on le mesure. Un état excité correspond à la présence d'une particule. L'état d'excitation supérieur correspond à la présence de deux particules, etc...

L'énergie d'un champ dans son état fondamental (ou énergie du vide associé à ce champ) est habituellement égale à 0. Il s'agit seulement d'une énergie moyenne car la mécanique quantique autorise des fluctuations autour de cette valeur moyenne. Cela correspond à des particules virtuelles (cf. un de mes messages précédents) apparaissant "de nulle part" et re-disparaissant très vite. Cela est autorisé tant que leur durée de vie est assez courte pour ne pas être observables (on n'observe que l'énergie moyenne égale à 0).

Revenons au mécanisme de Higgs. Tout d'abord, il faut introduire un nouveau champ dans le modèle standard : le champ de Higgs. Dans un Univers à température (ou énergie) suffisamment élevée, l'énergie du vide de ce champ est également 0. Mais si l'on descend en-dessous d'une certaine température, l'énergie du vide (la plus basse possible donc) du champ de Higgs va devenir supérieure à 0.
A quoi cela correspond-t-il concrètement ? Et bien cela veut qu'en-dessous de la température critique, le vide n'est plus si vide que ça : il est empli de particules virtuelles qui sont des bosons de Higgs et qui forment un condensat.

Quel rapport avec la masse des autres particules ? Et bien si l'on est au-delà du la température critique, le vide est (en moyenne) bel et bien vide et nos particules sont dépourvues de masse.
Si l'on est en-deçà de la température : nos particules, lors de leur propagation, vont interagir avec les nombreux Higgs virtuels du condensat. Un nouveau terme qui correspond à cette interaction apparaît alors dans la description du champ de chaque particule, et il se comporte exactement comme un terme issu d'une propriété de masse qu'on ajouterait "à la main". Ainsi, une particule interagissant fortement(faiblement) avec le champ de Higgs sera lourde(légère).

Ce mécanisme permet donc de justifier l'introduction d'un terme de masse pour les bosons vecteurs de l'interaction faible, puisque pour ceux-ci, on n'a pas le droit de l'ajouter "à la main". Pour les fermions élémentaires (quarks et leptons), il est raisonnable de penser que leur masse leur vient également de l'interaction avec le champ de Higgs : cela permet d'expliquer toutes les masses à l'aide d'un seul mécanisme.
A noter que le photon et le gluon sont les seules particules connues sans masse, donc qui n'interagissent pas du tout avec le champ de Higgs. A ta question "quel est le lien entre les gluons et les bosons de Higgs" je répondrais : aucun justement

Autre fait intéressant qui complète le précédent : les bosons de Higgs peuvent interagir entre eux, ils ont donc eux-même une masse, et sont même des poids lourds. Le boson de Higgs est tout à fait observable, mais pour cela il faut qu'il soit réel, c'est-à-dire qu'il possède cette masse très importante. Cela n'est possible qu'à de très hautes énergies, qui ne sont atteintes aujourd'hui que dans les accélérateurs de particules les plus puissants (au LHC et peut-être au Tevatron, c'est entre autre pour cela que l'existence du boson de Higgs a été si longue à être confirmée par l'expérience).

J'espère ne pas avoir dit de bêtise, si quelqu'un plus familier que moi avec ce sujet pense devoir corriger/compléter l'explication, il est le bienvenu.

[andretou]

Il y a un truc que je n'arrive pas à comprendre : comment les gluons (qui n'ont pas de masse) confèrent-ils de la masse au proton ou au neutron ? J'ai bien compris que les gluons avaient beaucoup d'énergie (cinétique), mais comment leur énergie se transforme-t-elle en masse au bénéfice du hadron ?...
Est-ce que le simple fait d'enfermer du rayonnement dans un espace délimité donne à cet espace une certaine masse ?
Dans ce cas, est-ce que les photons contenus dans l'Univers participent à la masse de l'Univers ?

[coussin]

Quelle est votre définition de la masse ?

[andretou]

Quelle est votre définition de la masse ?

La même que celle de Quarkonium, je suppose, en particulier quand il explique ceci :
"Rappelons qu'en relativité restreinte, incluse dans la TQC, la masse et l'énergie cinétique ne sont que deux formes d'énergie ; puisque les partons sont confinés à l'intérieur du proton, leur énergie cinétique contribue à la masse de ce dernier. Chose encore plus surprenante, ce sont les gluons, qui n'ont pas de masse eux-mêmes, qui contribuent le plus à la masse du proton, via leur énergie cinétique !"

[coussin]

Ce qui répond à votre question : l'impulsion participe à la masse.
Votre question "comment leur énergie (cinétique) se transforme-t-elle en masse ?" ne se pose pas. Leur énergie cinétique est (une forme de) la masse.

[andretou]

Leur énergie cinétique est (une forme de) la masse.

Dans ce cas pourquoi les photons n'ont-ils pas de masse ?

[coussin]

Dans ce cas pourquoi les photons n'ont-ils pas de masse ?

Parce que la masse est la différence entre l'énergie totale E² et la part d'impulsion p²c². Un photon unique n'a pas de masse. On montre facilement qu'un système de 2 photons voyageant dans des directions opposées possèdent une masse.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Invariant_mass

[andretou]

Parce que la masse est la différence entre l'énergie totale E² et la part d'impulsion p²c². Un photon unique n'a pas de masse. On montre facilement qu'un système de 2 photons voyageant dans des directions opposées possèdent une masse.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Invariant_mass

C'est incroyable ! Merci pour cette info.

[Quarkonium]

Pour compléter, on a même tendance en physique des particules à appeler la masse "masse invariante" (cf. le lien wiki de coussin). C'est l'énergie/masse restante lorsqu'on se place dans le référentiel où le système étudié est au repos (là où il n'a plus d'impulsion).

Comme l'a dit coussin, bien qu'un photon ait une masse invariante nulle (on ne peut d'ailleurs même pas trouver de référentiel dans lequel il est au repos), une paire de photon a une masse, qui est l'énergie des photons mesurée dans le référentiel au repos de la paire (même comportement pour une simple particule massive, comme un électron par exemple).

La touche finale : la chromodynamique quantique prévoit l'existence de particules appelées "boules de glu". Ces particules sont des hadrons (faites de partons : quarks et gluons) comme les protons, neutrons etc.. sauf que leurs partons de valence ne sont pas des quarks mais des gluons. Et il est bien prévu qu'elles aient une masse. Cependant leur existence reste encore hypothétique car elles n'ont pas été observées. Mais ce problème tient plus à la difficulté à les détecter qu'à des doutes sur leur existence ; on pense qu'on en produit tout un tas au LHC mais que leur signal est noyé dans celui d'autres réactions.

[andretou]

bien qu'un photon ait une masse invariante nulle (on ne peut d'ailleurs même pas trouver de référentiel dans lequel il est au repos)

Même par rapport à un autre photon qui se déplace dans la même direction ?

[Quarkonium]

Tu ne peux pas te mettre dans le référentiel au repos de l'autre photon non plus, donc tu ne peux pas faire cette comparaison. Tous les photons se déplace à la vitesse c dans tous les référentiels, donc il n'existe pas de référentiel dans lequel un photon se déplacé à une autre vitesse, 0 ne faisant pas exception.

[viiksu]

Salut,

A notre connaissance, ce sont des particules élémentaires, ponctuelles et sans structure interne. Ils ne sont composé que d'eux-mêmes.

Bijour,

Je ne dirais pas ponctuelles ils ont une étendue spatiale du fait même de la relation d'incertitude d’Heisenberg qui nous interdit de les situer avec une précision infinie comme ce serait le cas d'un point. On donne toutefois à l'electron par exemple une taille qui est : 2,8 10**-15m qui n'est pas une taille de bille mais plutôt une sorte de zone d'influence pour certaines interactions. En tant qu'oscillation d'un champ une particule ponctuelle serait un Dirac ce qui n'est pas physiquement concevable car alors son impulsion pourrait devenir infinie.

[andretou]

Tu ne peux pas te mettre dans le référentiel au repos de l'autre photon non plus, donc tu ne peux pas faire cette comparaison.

Mais qu'est-ce qui m'empêche de choisir comme référentiel un autre photon se déplaçant dans la même direction ? Je n'ai pas besoin moi de me placer dans ce référentiel...

[viiksu]

Mais qu'est-ce qui m'empêche de choisir comme référentiel un autre photon se déplaçant dans la même direction ? Je n'ai pas besoin moi de me placer dans ce référentiel...

C'est ce qui fait la curiosité de la relativité restreinte la vitesse de la lumière est constante dans tout référentiel en translation uniforme par rapport à un ou plusieurs autres. Peut importe ou l'on se place la lumière nous arrive à c et part à c. C'est précisément pour cela que le temps et l'espace ne sont plus absolus.

[Deedee81]

Salut,

Je ne dirais pas ponctuelles ils ont une étendue spatiale du fait même de la relation d'incertitude d’Heisenberg qui nous interdit de les situer avec une précision infinie comme ce serait le cas d'un point. On donne toutefois à l'electron par exemple une taille qui est : 2,8 10**-15m qui n'est pas une taille de bille mais plutôt une sorte de zone d'influence pour certaines interactions. En tant qu'oscillation d'un champ une particule ponctuelle serait un Dirac ce qui n'est pas physiquement concevable car alors son impulsion pourrait devenir infinie.

Ca dépend de ce qu'on entend pas étendue spatiale, le terme est ambigu en mécanique quantique. En théorie quantique des champs, la particule est bel et bien considérée comme strictement ponctuelle (*), mais le point en question n'est pas nécessairement bien localisé (on considère souvent des ondes planes d'ailleurs, ça fait une sacrée extension spatiale).

(*) ce qui est probablement irréaliste et cela conduit aux divergences ultraviolettes. D'où l'idée de particules 1D en théorie des cordes.

[viiksu]

Salut,



Ca dépend de ce qu'on entend pas étendue spatiale, le terme est ambigu en mécanique quantique. En théorie quantique des champs, la particule est bel et bien considérée comme strictement ponctuelle (*), mais le point en question n'est pas nécessairement bien localisé (on considère souvent des ondes planes d'ailleurs, ça fait une sacrée extension spatiale).

(*) ce qui est probablement irréaliste et cela conduit aux divergences ultraviolettes. D'où l'idée de particules 1D en théorie des cordes.

Franchement ça me pose un problème philosophique ces dimensions nulles ou unitaires (1D) sachant que dans certaines théories il y a une limite à la petitesse des choses: atomes d'espace. Et puis quid des protons? Ils ont quand même un "volume" car "nous" avons un volume même si c'est principalement du vide et les étoiles à neutrons ont un volume (10km) comment des particules composites ayant "un volume" peuvent-elles être faites de particules ponctuelles.

[andretou]

C'est ce qui fait la curiosité de la relativité restreinte la vitesse de la lumière est constante dans tout référentiel en translation uniforme par rapport à un ou plusieurs autres.

Autrement dit, quand 2 photons se déplacent dans la même direction, chaque photon se déplace à c par rapport à l'autre photon ?
Donc si les 2 photons sont côte à côte, pour le premier photon c'est le deuxième photon qui s'éloigne à c, tandis que pour le deuxième photon c'est le premier qui s'éloigne à c...
C'est correct ?

[viiksu]

Autrement dit, quand 2 photons se déplacent dans la même direction, chaque photon se déplace à c par rapport à l'autre photon ?
Donc si les 2 photons sont côte à côte, pour le premier photon c'est le deuxième photon qui s'éloigne à c, tandis que pour le deuxième photon c'est le premier qui s'éloigne à c...
C'est correct ?

Non pour les photons il n'y a pas de référentiel, le point de vue du photon n'a pas de sens il traverse l'univers en un temps nul de son "point de vue".

[invite06459106]

Autrement dit, quand 2 photons se déplacent dans la même direction, chaque photon se déplace à c par rapport à l'autre photon ?

Le "Par rapport" implique la construction d'un référentiel, et comme c'est en dehors du cadre de la théorie pour le photon, la phrase n'a pas de sens.

Non pour les photons il n'y a pas de référentiel, le point de vue du photon n'a pas de sens il traverse l'univers en un temps nul de son "point de vue".

Comment peut on dire deux choses contradictoires dans la même phrase? Le point de vue du photon n'existe pas, donc parler de son temps propre n'a pas de sens, ni son "point de vue" avec ou sans guillemets.

[Deedee81]

Franchement ça me pose un problème philosophique ces dimensions nulles ou unitaires (1D) sachant que dans certaines théories il y a une limite à la petitesse des choses: atomes d'espace. Et puis quid des protons? Ils ont quand même un "volume" car "nous" avons un volume même si c'est principalement du vide et les étoiles à neutrons ont un volume (10km) comment des particules composites ayant "un volume" peuvent-elles être faites de particules ponctuelles.

Tout d'abord, non, un proton n'est pas du vide, puisque comme j'ai dit, même ponctuelle les particules ont une certaine distribution (principe d'indétermination ou mieux fonction d'onde). C'est les bizarreries quantiques mais ça ne me gêne pas.

Et comme je l'ai dit, cette ponctualité est probablement irréaliste. Mais c'est la seule qui marche bien actuellement. Il suffit de voir dès qu'on louche (strabisme divergent ) du coté de la gravité quantique : limite de Planck (longueur minimale), théorie des cordes avec ses particules unidimensionnelles (donc non ponctuelles), boucles avec un espace-temps qui est décrit par un espace-temps quantifié (les particules étant des valeurs sur les noeuds d'un réseau de spins).
Bref, il est clair qu'on cherche ce qu'il y a au-delà, mais on n'y est pas encore (tant pour des difficultés théoriques que pour un manque de données expérimentales). Donc, en attendant : point point petit patapoint

[viiksu]

Le "Par rapport" implique la construction d'un référentiel, et comme c'est en dehors du cadre de la théorie pour le photon, la phrase n'a pas de sens.




Comment peut on dire deux choses contradictoires dans la même phrase? Le point de vue du photon n'existe pas, donc parler de son temps propre n'a pas de sens, ni son "point de vue" avec ou sans guillemets.

C'est pourquoi j'ai mis des guillemets car c'est souvent une image qu'on indique, même si c'est une extrapolation injustifiée.

[invite06459106]

J'avais compris, mais les images, même si on a l'habitude de les utiliser, quand elles sont hors cadre théorique, n'ont aucune utilité, car fausses, donc je préfère le stipuler, histoire de ne laisser aucun doute, aucune mauvaise interprétation possible .

[andretou]

Le "Par rapport" implique la construction d'un référentiel, et comme c'est en dehors du cadre de la théorie pour le photon, la phrase n'a pas de sens.

Mais pourquoi, après-tout, est-il interdit de prendre pour référentiel le photon lui-même ?
Je ne trouve pas une telle interdiction dans l'article Wikipedia sur la relativité restreinte... https://fr.wikipedia.org/wiki/Relati...%A9_restreinte

[coussin]

Référentiel du photon signifie, implicitement, un référentiel dans lequel le photon est immobile (c'est ce qu'on entend par"référentiel attaché au photon"). Hors, ceci est impossible. Il n'existe pas de référentiel dans lequel un photon est immobile.