Masse des nucléons + interaction forte

[invitee033fdb1]

Bienvenue à tous,

Pouvez-vous m'expliquer d'où vient la grande masse du proton ou du neutron (environ 940 MeV) compte tenu du fait que le quark up à une masse de 5 + ou - 3 MeV et le quark down 10 + ou - 5 MeV, si ma mémoire est bien bonne. À cela se rajoute l'interaction des quarks avec les mésons ayant lieu dans les nucléons, notion que j'ai plus ou moins bien comprise (si quelqu'un voudrait me l'expliquer plus en profondeur SVP). Les mésons ont une masse d'environ 140 MeV, je crois. L'interation avec les mésons est-elle décrite dans la force nucléaire forte (en fait, je voudrais savoir si le méson est un boson verteur de l'intéraction forte en plus des 8 gluons, il me semble que non, car le méson est un hadron, tout comme les baryons...)? Aussi, le neutron est-t-il plus lourd que le proton à cause du fait qu'il est formé de 2 quarks down?

Pour l'instant, je me limite à ces questions
Merci à tous à l'avance
Bien amicalement Condensat_B-E
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[j.yves]

Salut, je commence par la dernière question parce que c'est la plus facile. Pour la différence de masse proton-neutron, c'est bien la raison que tu dis. Si les deux quarks avaient même masse, le proton serait plus lourd à cause de la répulsion électrostatique qui est plus importante.
Il y a des tas de mésons, celui de masse 140 MeV est le pion (139 pour les pions chargés, 135 pour le pion neutre), c'est de loin le plus léger, pour des raisons très intéressantes d'ailleurs, mais c'est un peu compliqué.. On peut dire que le pion est un intermédiaire de l'interaction forte entre deux nucléons, sauf aux très courtes distances où c'est plus compliqué. Les gluons sont échangés entre des particules portant des charges de couleur, les quarks par exemple. Le proton et le neutron sont neutres du point de vue de la couleur. Les interactions entre eux sont un peu analogues aux interactions de Van der Waals entre molécules neutres. Ce sont des "résidus" de l'interaction forte, dont le pion permet de rendre compte.
Et enfin, la réponse à la première question est très difficile. Un quark n'est léger que dans un monde bien particulier qui n'est pas le monde réel. Il se produit un phénomène dit de "brisure spontanée de symétrie" qui fait acquérir une masse importante aux nucléons, un peu comme les photons dans le cas de la supraconductivité. Il existe des modèles non relativistes de structure des nucléons, dits de "quarks constituants", où les quarks ont des masses de 300 MeV environ.

[j.yves]

Correction au posting precedent: rien a voir avec la supraconductivite, je n'etais pas bien reveille.

[invite79a98872]

Les constituants d'un proton est un champ de recherche très important aujourd'hui parce qu'on s'est rendu compte qu'on ne comprenait pas bien. Comme tu l'as souligné la masse du proton n'est pas la somme des masses de ces constituants, je crois que ça c'est expliqué maintenant (pas sûr !?). Mais il y a un autre problème, c'est le spin du proton qu'on connais tous : 1/2. Mais si on regarde les contributions des 3 quarks uud et des gluons : on ne retrouve que 30 % du spin !? Je crois que c'est comme ça qu'on s'est mis à chercher des paires de quarks-antiquarks dans le proton.

Je ne suis pas expert dans le domaine mais certains pourront sûrement compléter ce que j'ai dit. (Je crois qu'humanino connait bien tout ça)

[A voir en vidéo sur Futura]

[j.yves]

La masse du proton c'est bien compris depuis le debut des annees 60, au moins d'un point de vue qualitatif: comme je le disais dans le posting precedent, c'est lie a la brisure spontanee de la symetrie chirale, qui fait que le vide de la theorie (ou il n'y a ni quarks ni gluons) n'est pas l'etat de plus basse energie (qui est par definition le vide physique); celui-ci contient des quarks et de gluons, ce qu'on appelle un "condensat". On peut comprendre la masse du proton en disant qu'il faut d'abord creer un petit espace (dont le volume est celui d'un proton) vide de quarks et de gluons, ce qui coute de l'energie ; puis on met dans ce petit espace trois quarks. C'est un modele qui a ete propose par des physiciens du MIT en 1974 et qui s'appelle "modele du sac".
Par contre, la structure du proton telle qu'elle est observee dans des experiences de collision a haute energie est un probleme qui n'a en fait pas grand chose a voir, et qui est effectivement tres etudie actuellement. Le "probleme du spin" que tu mentionnes est uniquement dans ce cadre des collisions a haute energie. Le modele des quarks non-relativistes reproduit assez bien le moment magnetique du proton et du neutron au repos, et on n'a besoin que de 3 quarks pour cela.

[invite79a98872]

ok merci pour tes explications, c'est plus clair pour moi maintenant.

[Rincevent]

La masse du proton c'est bien compris depuis le debut des annees 60, au moins d'un point de vue qualitatif

j'ai vu aussi des argumentations basées sur le principe d'Heisenberg : les quarks sont piégés dans un volume très petit ce qui implique des grandes impulsions et donc des énergies très différentes des "masses au repos" figurant dans le lagrangien... mais ça explique pas le piégeage qui vient plutôt de ce que tu racontes...

[deep_turtle]

Salut,

Je ne comprends pas bien l'argument suivant :

le vide de la theorie (ou il n'y a ni quarks ni gluons) n'est pas l'etat de plus basse energie (qui est par definition le vide physique); celui-ci contient des quarks et de gluons, ce qu'on appelle un "condensat". On peut comprendre la masse du proton en disant qu'il faut d'abord creer un petit espace (dont le volume est celui d'un proton) vide de quarks et de gluons, ce qui coute de l'energie ; puis on met dans ce petit espace trois quarks.

Car cette explication indiquerait que le vide lui-même a une masse (on fait le même raisonnement mais sans ajouter les quarks à la fin...). Je comprendrais s'il s'agissait de "fabriquer" un proton dans une mer de quarks/gluons, mais dans le vide, je vois pas... Tu peux détailler j.yves ? merci !!

[Rincevent]

Tu peux détailler j.yves ? merci !!

je pense qu'il faisait référence au "MIT Bag model"...

http://www-subatech.in2p3.fr/~photon...rri/node9.html

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/np...00424d2be23128

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/np...00424d2be23128


ps: arf, j'avais lu le truc de jy en diagonal et il mentionne explicitement le nom du modèle...
c'est un truc phénoménologique pour reproduire les hadrons... mais assez sophistiqué à la base (cf les papiers)

[j.yves]

j'ai vu aussi des argumentations basées sur le principe d'Heisenberg : les quarks sont piégés dans un volume très petit ce qui implique des grandes impulsions et donc des énergies très différentes des "masses au repos" figurant dans le lagrangien... mais ça explique pas le piégeage qui vient plutôt de ce que tu racontes...

Effectivement. L'effet que tu mentionnes, c'est la contribution des énergies cinétiques des quarks, dont l'ordre de grandeur est donné par le principe de Heisenberg: pour un sac de taille , la quantité de mouvement des quarks est d'ordre , donc leur énergie est d'ordre (car ils sont presque de masse nulle). Et la deuxième contribution à l'énergie, c'est celle qu'il faut pour créer le sac, qui est proportionnelle à son volume donc à . La valeur du rayon et de la masse du proton s'obtiennent en minimisant l'énergie totale. Donc l'énergie cinétique des quarks contribue pour les 3/4 à l'énergie totale si je ne me trompe pas

[j.yves]

Car cette explication indiquerait que le vide lui-même a une masse (on fait le même raisonnement mais sans ajouter les quarks à la fin...). Je comprendrais s'il s'agissait de "fabriquer" un proton dans une mer de quarks/gluons, mais dans le vide, je vois pas... Tu peux détailler j.yves ? merci !!

Bon j'ai dû me mélanger dans mes deux vides. Il y a le "vrai" vide, le vide physique, l'état de plus basse énergie, enfin, le vide, quoi. Ce vide, il est plein de paires quark-antiquark et de gluons, voilà. Et pour fabriquer un proton, il faut d'abord faire un peu le ménage dans un petit coin, nettoyer toutes les paires quark-antiquark et les gluons qui y sont, oui Rincevent, c'est le MIT bag model (pas si sophistiqué, il a été amélioré depuis!). Il faut pousser très fort sur le sac pour contrebalancer la pression terrible que l'extérieur exerce dessus, c'est la pression exercée par le mouvement des trois quarks qui permet de contrebalancer. J'ajoute que je ne suis pas un spécialiste, donc je ne suis pas sûr que tout ceci se tient du point de vue de la théorie des interactions fortes.

[Rincevent]

pas si sophistiqué, il a été amélioré depuis!

ce que je voulais dire c'est que la première fois que j'en ai entendu parler, je pensais à un modèle niveau DEUG et qui tenait en 3 équations... mais si on regarde le papier original, c'est un truc relativiste, où ils discutent de trucs comme les trajectoires de Regge ou la température de Hagedorn et qui peut s'appliquer à n'importe quel type de champ... donc p'têt pas niveau deug...

sinon, tu penses à quelles améliorations? perso je connais pas si bien que ça... je sais qu'il est très utilisé pour modéliser la matière faite de quarks dans les possibles "étoiles étranges"... où on s'intéresse avant tout à l'équation d'état que le modèle donne.

[j.yves]

Je pense qu'ils parlent des trajectoires de Regge juste parce que c'était encore à la mode à l'époque... La seule difficulté dans le modèle du sac, ce sont les conditions aux limites qui sont un peu subtiles pour l'équation de Dirac: pour l'équation de Schrödinger dans une boîte, la fonction d'onde s'annule sur la surface de la boîte, mais pas pour l'équation de Dirac. Bon, c'est salement technique donc j'arrête là, mais c'est un joli problème..
Les améliorations, je ne les connais pas bien (c'est quand même un peu de la cuisine). Mais je crois qu'un problème du modèle du sac est qu'il ne respecte pas la symétrie chirale qui est une symétrie essentielle des interactions fortes, et il y a eu des améliorations prenant en compte la symétrie chirale. C'était très à la mode dans les années 80... ce qui ne me rajeunit pas

[mtheory]

Un peu de doc:
p 21 des renseignements sur le MIT bag et les problèmes associées
http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/9802337

http://quark.phy.bnl.gov/~mclerran/qgp/Lee.doc

La revue de T.D Lee montre que l'histoire du concept est ancien avec les modèles de Poincaré et Einstein de l'électron.
C'est aussi très moderne car les modèles de Dirac des leptons s'en inspirent.
Pire le bag model est à l'origine des p branes en supergravité et du retour du lagrangien de Dirac(born-infeld) pour ses modèles de leptons.
Donc on a une fois de plus des cross over entre théories des interactions fortes/gravitation et théories unifiées.

[Rincevent]

Je pense qu'ils parlent des trajectoires de Regge juste parce que c'était encore à la mode à l'époque...

oui, oui, je disais juste que c'est quand même plus complexe que "trois boules dans un puit sans fond sphérique"

Bon, c'est salement technique donc j'arrête là, mais c'est un joli problème..

je pense que ça peut mériter un nouveau fil si tu te sens motivé pour donner deux-trois explications... (enfin, c'est mon avis personnel et pas officiel...)

en tous cas, merci déjà pour celles-ci

La revue de T.D Lee montre que l'histoire du concept est ancien avec les modèles de Poincaré et Einstein de l'électron.

intéressant en effet, merci

ps: mais quelle idée de faire du format doc...

[mtheory]

Un peu de doc:
p 21 des renseignements sur le MIT bag et les problèmes associées
http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/9802337

Il vaut mieux lire à partir de la page 18 en fait, et du début si on n'est pas familier avec les quarks et la QCD.

[j.yves]

Mtheory, tu as une référence accessible pour le dernier point que tu mentionnes, le rapport du sac du MIT avec les modèles de Dirac des leptons et les p-branes? J'ai dit accessible

[j.yves]

je pense que ça peut mériter un nouveau fil si tu te sens motivé pour donner deux-trois explications... (enfin, c'est mon avis personnel et pas officiel...)

Un jour, promis juste pour donner un exemple, dans une boîte à une dimension de longueur L, avec l'équation de Schrödinger (ou même une simple équation de corde vibrante) tu obtiens que 2L doit être un multiple entier de la longueur d'onde, avec l'équation de Dirac tu trouves que 2L est un multiple entier +1/2 de longueur d'onde. Rigolo, non?
Mais je ne sais pas le faire sans des calculs affreux donc je vais réfléchir avant de poster des horreurs.

[mtheory]

Mtheory, tu as une référence accessible pour le dernier point que tu mentionnes, le rapport du sac du MIT avec les modèles de Dirac des leptons et les p-branes? J'ai dit accessible

Pas simple malheureusement mais déja là p 2:


http://xxx.soton.ac.uk/PS_cache/hep-...05/0205309.pdf

En outre l'idée de Dirac était en gros d'avoir une sphère uniformément chargée maintenue par sa propre gravité.
-au centre champ électrique nul donc pas de divergences
-les modes propres d'oscillations une fois quantifiés devait donner la masse de l'électron,du muon etc....
Il y avait un lagrangien dépendant de la métrique et du tenseur champ électromagnétique décrivant donc le mouvement d'une bulle=bag=2 brane dans l'espace-temps!

[Rincevent]

Pas simple malheureusement mais déja là p 2:


http://xxx.soton.ac.uk/PS_cache/hep-...05/0205309.pdf

réf intéressante, as usual

[mtheory]

Pas simple malheureusement mais déja là p 2:


http://xxx.soton.ac.uk/PS_cache/hep-...05/0205309.pdf

En outre l'idée de Dirac était en gros d'avoir une sphère uniformément chargée maintenue par sa propre gravité.
-au centre champ électrique nul donc pas de divergences
-les modes propres d'oscillations une fois quantifiés devait donner la masse de l'électron,du muon etc....
Il y avait un lagrangien dépendant de la métrique et du tenseur champ électromagnétique décrivant donc le mouvement d'une bulle=bag=2 brane dans l'espace-temps!

Je continue là dessus dans un autre fil que je viens d'ouvrir afin d'éviter les mélanges.Les particules sont-elles des bulles:la théorie M.

[invitee033fdb1]

Merci à tous, vous venez une fois de plus de me démontrer l'efficacité de ce forum!

Récapitulons pour moi SVP (puisque je me situe pas mal loin derrière vos connaissances et j'ai encore bcp bcp à apprendre...). La masse des nucléons provient de l'énergie cinétique des quarks, de leur masse, et de la masse des mésons qui interagissent avec les constituants des nucléons, en 1ere approximation, n'est-ce pas?
En quoi consiste l'intéraction du méson avec les constituants du nucléon?

Merci à l'avance

[PHENIXian]

Si tu veux faire vraiment simple : dans un nucléon tu as des quarks et des gluons qui sont responsables des intercations fortes entre quarks, et donc qui assurent la cohésion du tout dans le nucléon. Ces gluons contribuent aussi bien au spin et à l'impulsion du nucléon (cf fonctions de structure) qu'à sa masse.

Le seul cas ou tu peux approximer la masse d'un quark est pour les mésons constitués d'un quark et son anti quark seulement. Alors tu peux dire que la masse du quark est la moitié de la masse du méson :

Jpsi (cc*) à 3 Gev : la masse du c est environ 1.5 GeV
Upsilon 1S (bb*) à 9.5Gev : masse du b environ 4.75GeV

[invite79a98872]

En quoi consiste l'intéraction du méson avec les constituants du nucléon?

Bon je ne suis pas un expert (pour moi aussi la discussion est allée trop haut).

En fait les mésons (par exemple le pion) n'est vecteur que d'une interaction forte résiduelle. Ces mésons interviennent donc plutôt pour des interactions entre hadrons (nucléons par exemple : echange d'un entre un proton et un neutron).

[invite79a98872]

Jpsi (cc*) à 3 Gev : la masse du c est environ 1.5 GeV

T'aurais dû t'appeller "Jpsiman" tu en parles si souvent

[invite8ef897e4]

Bienvenue PHENIXman !
En fait, je pense que tu as tres bien choisi ton nom

je n'ai pas grand chose a ajouter a toutes les excellentes reponses qui ont deja ete apportees, je veux juste mentionner que le probleme en question, celui de l'origine de la masse en QCD, est un fameux probleme de mathematiques, extremement interessant et pour lequel le "Clay math institute" a attribue une forte recompense, parmi d'autres fameux problemes tels que l'hypothese de Riemann, P vs NP, la conjecture de Poincare, les equations de Navier-Stokes. Ce sont les problemes du millenaire !

une ancienne discussion sur le mass-gap

[PHENIXian]

ça c'est très bas.
C pas parce que y'a pas de threads sur Majorana qu'il faut être jaloux....

[j.yves]

Le seul cas ou tu peux approximer la masse d'un quark est pour les mésons constitués d'un quark et son anti quark seulement. Alors tu peux dire que la masse du quark est la moitié de la masse du méson :

Jpsi (cc*) à 3 Gev : la masse du c est environ 1.5 GeV
Upsilon 1S (bb*) à 9.5Gev : masse du b environ 4.75GeV

Attention, ce n'est vrai que pour les quarks lourds, précisément les deux que tu cites. La masse des mésons les plus légers formés de quarks légers (pions, kaons) varie comme la racine carrée de la masse des quarks...
Et par contre, les masses du proton et du neutron ne changeraient pas beaucoup si les masses des quarks qui les composent étaient strictement nulles.

[PHENIXian]

oui bien sur, pour les mésons plus légers justement les gluns entrent en jeu je crois.
C'est pourquoi la masse du pion est 140 Mev, énorme par rapport à celle de ses quarks. en tt cas c comme ca que je l'avais compris à l'époque