Un proton est-il un dipôle électrique dont le pôle négatif est constitué du quark down ?

[andretou]

Bonjour à tous
Nous savons qu'un proton est constitué de 2 quarks UP de charge 2/3 + 1 quark DOWN de charge -1/3, de sorte que la charge totale du proton est de 1.
De ce fait, peut-on affirmer qu'un proton est un dipôle électrique dont le pôle négatif est constitué du quark DOWN ?
Question complémentaire : si oui, existe-t-il à votre connaissance une expérience mettant en évidence la dipolarité du proton ?
Merci d'avance pour vos réponses

[Paraboloide_Hyperbolique]

Bonjour,

Vous pouvez jetez un coup d'oeil au moment magnétique du proton (et du neutron) ici: https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_magnetic_moment

Au premier ordre considérer les charges individuelles des quarks de valence donne des résultats acceptables. Cependant, obtenir des résultats plus précis nécessite de prendre en compte les interactions avec les gluons et les effets relativistes associés.

[coussin]

Vous reconnaissez qu'il y a 3 quarks et parlez de dipôle ?! Ne trouvez-vous pas ça inconsistant ?
Dit autrement, savez-vous ce que signifie le préfixe "di-" de dipôle ?

[andretou]

Vous reconnaissez qu'il y a 3 quarks et parlez de dipôle ?! Ne trouvez-vous pas ça inconsistant ?
Dit autrement, savez-vous ce que signifie le préfixe "di-" de dipôle ?

Je ne comprends pas votre remarque. La molécule H2O elle-même n'est-elle pas de nature dipolaire alors qu'elle est constituée de 3 atomes ?
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mol%C3...ture_dipolaire

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

C'est vrai, je le suis mal exprimé...
En fait, un système de 3 charges peut être développé en multipoles et aura une composante monopolaire (dans le cas du proton), dipolaire, quadripolaire, etc...

[Deedee81]

Salut,

Notons qu'on peut aussi sonder les protons avec des électrons haute énergie (diffusion profondément inélastique). C'est assez pratique.
Il y avait une explication simple et un graphique dans l'encyclopédia universalis. Mais je ne retrouve pas sur le net.
(enfin bon, sinon il y a ça, pas mal du tout mais hautement technique, mais c'est mieux que rien
http://homepages.ulb.ac.be/~lfavart/...-477.Chap4.pdf
et il y a pas mal de graphiques assez parlant
)

Le résultat qui nous importe ici est que la densité de charge dans le proton est grosso modo homogène (avec une "surface" assez fine, c'est-à-dire une chute rapide de la densité de charge).

Cela montre plusieurs choses :
- Le proton n'a pas du tout une structure dipolaire électrique (mais il a bien une structure dipolaire magnétique)
- Les quarks sont "répartis" dans tout l'intérieur du proton (n'oublions pas que ce sont des particules quantiques, elles ne sont pas localisées ponctuellement mais ont une amplitude quantique répartie dans le proton).
(notons que dans H2O on a affaire à des trucs nettement plus gros, et surtout suite à leur interaction avec leur environnement, ces atomes ont une position assez précise donnant une structure dipolaire. Même si le quantique reste incontournable, par exemple le NH3 dipolaire aussi peut voir son atome d'azote basculer à travers le triangle de H3 par effet tunnel, effet exploité dans le premier maser de l'histoire).

Ces quarks ont un moment angulaire important qui expliquent tant le spin du proton, son moment dipolaire magnétique et son rapport gyromagnétique assez particulier.

Je sais aussi qu'on sait calculer avec une bonne précision ces propriétés de spin et moment magnétique par calculs (sur un supercalculateur) sur réseau à l'aide de la théorie de la chromodynamique quantique. Je suppose que la densité de charge doit aussi être un résultat mais je ne le connais pas. Pas facile à trouver sur le net ça.

[Resartus]

Bonjour,
Si on on utilisait une analogie classique, on pourrait dire qu'à la vitesse où les quarks circulent dans le proton
(avec leurs cortèges de particules virtuelles), la fluctuation du déséquilibre des charges doit être ultrarapide et donc non mesurable.

En TQF, c'est plus compliqué : il doit exister un certain moment dipolaire électrique. non pas à cause des des quarks eux-même, mais à cause de la violation de la parité pour les particules virtuelles leptoniques. Dans le modèle standard, il doit être ultra faible (un million de fois plus faible que la sensibilité actuelle des mesures)
Cela fait plusieurs années qu'on tente de le mesurer sur le neutron (plus facile que sur le proton, car neutre), car certaines théories prédisent une valeur beaucoup plus élevée. A ce jour, on n'a rien trouvé.

NB pour paraboloide : le primiposteur parlait bien de moment dipolaire électrique. Le moment dipolaire magnétique est bien mieux connu

[Deedee81]

Merci Resartus, je l'avais oublié cette-là. Une référence assez récente :
https://www.pourlascience.fr/sd/phys...tron-19447.php

[Sethy]

A la louche, en chimie on considère que l'incertitude sur la longueur d'une liaison chimique est de 3%. Je ne parle évidemment pas de précision de la mesure mais bien des effets quantiques évoqués plus haut. La longueur d'une liaison étant grosso-modo de 1 Angstrom (0,1 e-9 m), l'imprécision est de l'ordre de 3e-12m. La taille d'un noyau atomique est de l'ordre de 10e-15 m.

Pour ce qui est de la vitesse des quarks, il y a la notion de cellule élémentaire.

J'avais d'ailleurs ouvert un sujet à ce propos : https://forums.futura-sciences.com/p...ementaire.html

Et si je me réfère à mon calcul de l'époque, les objets de la taille du noyau atomique sont imprimés d'une vitesse quadratique moyenne qui vaut déjà 20% de la vitesse de la lumière. Je vous laisse conclure pour les quarks.

[andretou]

Si on on utilisait une analogie classique, on pourrait dire qu'à la vitesse où les quarks circulent dans le proton
(avec leurs cortèges de particules virtuelles), la fluctuation du déséquilibre des charges doit être ultrarapide et donc non mesurable.

En TQF, c'est plus compliqué : il doit exister un certain moment dipolaire électrique. non pas à cause des des quarks eux-même, mais à cause de la violation de la parité pour les particules virtuelles leptoniques. Dans le modèle standard, il doit être ultra faible (un million de fois plus faible que la sensibilité actuelle des mesures)
Cela fait plusieurs années qu'on tente de le mesurer sur le neutron (plus facile que sur le proton, car neutre), car certaines théories prédisent une valeur beaucoup plus élevée. A ce jour, on n'a rien trouvé.

Est-ce à dire qu'il n'existe aucune différence mesurable entre le champ électrique produit par le proton, et le champ électrique produit par le positron ?
Mais alors comment expliquer qu'un électron ne se comporte pas de la même manière au voisinage d'un proton et au voisinage d'un positron ?

[coussin]

Je ne sais pas ce que vous voulez dire par "ne se comporte pas de la même manière"...
Ce qui est sûr c'est que les différences dans les niveaux d'énergie entre atome d'hydrogène (proton + électron) et positronium (positron + électron) ne vient que de la différence de masse entre proton et positron. Les champs produits par proton et positron sont effectivement les mêmes mais la différence de masse change les propriétés "dynamiques" d'un électron dans ce champ.

[andretou]

Je ne sais pas ce que vous voulez dire par "ne se comporte pas de la même manière"...
Ce qui est sûr c'est que les différences dans les niveaux d'énergie entre atome d'hydrogène (proton + électron) et positronium (positron + électron) ne vient que de la différence de masse entre proton et positron. Les champs produits par proton et positron sont effectivement les mêmes mais la différence de masse change les propriétés "dynamiques" d'un électron dans ce champ.

Il existe des niveaux d'énergie dans le positronium ??? Comment cela est-il possible ? S'il existait des niveaux d'énergie dans le positronium, il me semble que celui-ci n'aurait pas de raison d'être instable dans son état fondamental. Or la demi-vie du positronium n'excède pas 100 nanosecondes (Wikipedia)...
Pouvez-vous SVP reconfirmer ?

ps : les niveaux d'énergie que je supposais inexistants dans le positronium sont précisément ce que je voulais dire par "ne se comporte pas de la même manière"

[Deedee81]

Il existe des niveaux d'énergie dans le positronium ???

Oui.

Comment cela est-il possible ? S'il existait des niveaux d'énergie dans le positronium, il me semble que celui-ci n'aurait pas de raison d'être instable dans son état fondamental. Or la demi-vie du positronium n'excède pas 100 nanosecondes (Wikipedia)...
Pouvez-vous SVP reconfirmer ?

En fait ce n'est pas lié. L'état fondamental (au sens de la MQ de Schrödinger) n'est pas fondamental en théorie quantique des champs. Ou dit autrement :
- en théorie de Schrödinger, pas d'annihilation, les niveaux c'est comme d'hab (on peut même utiliser la vieille formule de Bohr)
- en théorie quantique des champs, l'état S0 n'est pas l'état de "base", celui-ci étant constitué de deux ou trois photons. Mais les états restent quantifiés.
Quantification des niveaux d'énergie et stabilité sont deux choses différentes. (tout au plus les "largeurs" de raie sont plus grande à cause de la durée de vie brève, effet d'une des relations d'indétermination)

Mais les niveaux d'énergie n'ont pas du tout la même valeur qu'avec le proton (c'est fortement décalé) et l'annihilation aussi (doit y avoir d'autres différences, de tout petit écarts dû à l'interaction faible et aux effets des moment s magnétiques : très différent entre positron et proton). Les orbitales de l'électron doivent par contre avoir un violent air de famille entre les deux cas (avec une distorsion, la correction d'effet de recul étant énorme dans le positronium).

[Deedee81]

Ah tiens, voilà un truc que je ne sais pas. La parité joue un rôle important dans le positronium (qu'on ne rencontre par pour l'hydrogène). Mais est-ce qu'il y a des différences dans les niveaux d'énergie de l'ortho et du para positronium ?
(l'équation de Dirac étant invariante par parité je dirais que non, mais je peux me tromper)

Je m'auto-rectifie, doit y avoir de petites différences : la structure fine, puisque ces états de parité diffèrent justement par l'orientation des spins. Comme quoi en réfléchissant parfois on trouve
EDIT rectif : il y a une parité aussi pour H, mais vu qu'il est stable on s'en fout un peu

[andretou]

Quantification des niveaux d'énergie et stabilité sont deux choses différentes.

Si le positronium possède effectivement des niveaux d'énergie, je n'arrive pas à comprendre pourquoi l'électron du positronium s'écrase sur le positron en moins de 100ns, alors que l'électron de l'atome d'hydrogène ne s'écrase pas sur le proton (car si l'électron de l'atome d'hydrogène ne s'écrase pas sur le proton c'est bien à cause de l'existence de niveaux d'énergie n'est-ce pas ?)...
La stabilité de l'atome d'hydrogène est-elle donc due, en plus de l'existence des niveaux d'énergie, à l'importance de la masse du proton par rapport à la masse du positron ? Mais justement, une masse comme celle du positron a un effet sur l'électron encore plus négligeable que le proton, donc a priori l'électron a encore moins de raisons de s'écraser sur le positron qu'il n'en a de s'écraser sur le proton !
Ou bien, la stabilité de l'atome d'hydrogène est-elle due, en plus de l'existence des niveaux d'énergie, à la faiblesse du moment magnétique du proton (qui est, sauf erreur de ma part, environ 660 fois inférieur à celui du positron) ?
Sinon, quelle est précisément la cause de l'instabilité du positronium ?

[Sethy]

Je ne sais pas ce que vous voulez dire par "ne se comporte pas de la même manière"...
Ce qui est sûr c'est que les différences dans les niveaux d'énergie entre atome d'hydrogène (proton + électron) et positronium (positron + électron) ne vient que de la différence de masse entre proton et positron. Les champs produits par proton et positron sont effectivement les mêmes mais la différence de masse change les propriétés "dynamiques" d'un électron dans ce champ.

En première approximation, les états d'énergie du positronium sont moitiés de ceux de l'atome d'Hydrogène.

Sur la page wiki en anglais, les niveaux d'énergie des orbitales sont renseignées égaux à -6,8 / n^2 (eV). Rappelons que pour l'Hydrogène, la valeur est de -13,6 eV / n^2.

Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Positronium#Energy_levels

La confusion vient souvent du fait qu'on "oublie" que les niveaux d'énergie dans l'atome ne sont pas ceux des électrons, mais bien du système noyaux-électrons. Ce qui est justement mis en évidence par le positronium.

[Deedee81]

Mais alors comment expliquer qu'un électron ne se comporte pas de la même manière au voisinage d'un proton et au voisinage d'un positron ?

Parce qu'il n'y a pas que la charge dans la vie d'une honnête particule Outre la différence majeure de masse signalée par coussin, tu as aussi l'interaction faible et les charges faible, leptonique, baryonique (toutes conservées) (*). Et la taille aussi (ponctuelle pour le positron, non négligeable pour le proton). Du fait des grandeurs conservées, l'électron peut s'annihiler avec le positron... mais pas avec le proton.

(*) et de couleur pour interaction forte, mais l'électron y est insensible.... du moins au premier ordre.

Bref, un proton n'est pas un positron.