How big is Proton?

Un proton est une particule de charge électrique positive, présente dans le noyau au centre de chaque atome. Il mesure environ 1,7 femtomètre de diamètre, une valeur obtenue en doublant son rayon de charge, le rayon moyen de sa charge électrique. Un femtomètre vaut un millionième de milliardième de mètre (10⁻¹⁵ mètre).

Taille

Un proton n'a pas de surface dure. C'est un nuage de trois particules plus petites appelées quarks — deux quarks up et un quark down —, maintenues ensemble par la force forte, la même force qui lie protons et neutrons dans un noyau. La valeur recommandée de son rayon de charge, établie par l'Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST), est de 0,84075 femtomètre. Son incertitude est inférieure à 1 %.

Il existe deux méthodes principales pour le mesurer. L'une consiste à envoyer des électrons sur des protons et à enregistrer la façon dont ils rebondissent. L'autre mesure la lumière émise par les atomes d'hydrogène, dont les niveaux d'énergie se décalent très légèrement parce que le proton n'est pas un point.

Comparaisons de taille

Un neutron, le partenaire du proton dans le noyau, est de taille à peu près identique. Mesurés de la même façon, par la répartition de leur magnétisme, leurs rayons diffèrent de moins de 2 %.
Un noyau d'hélium, composé de deux protons et deux neutrons, mesure environ 3,4 femtomètres de diamètre, soit deux fois la largeur d'un seul proton.
Un atome d'hydrogène, un proton entouré d'un électron, mesure environ 0,1 nanomètre de diamètre, soit environ 60 000 fois la largeur de son proton. Un nanomètre vaut un milliardième de mètre.
Si un proton était agrandi à la taille d'un ballon de basket, l'atome d'hydrogène qui l'entoure mesurerait environ 15 kilomètres de diamètre.
Environ 60 milliards de protons alignés côte à côte couvriraient la largeur d'un cheveu humain, soit environ 0,1 millimètre.

L'énigme du rayon du proton

Avant 2010, les deux méthodes donnaient un rayon d'environ 0,88 femtomètre. Cette année-là, une équipe de l'Institut Paul Scherrer, en Suisse, a mesuré des atomes d'hydrogène dans lesquels l'électron était remplacé par un muon. Un muon ressemble à un électron, mais il est environ 200 fois plus lourd ; il orbite donc beaucoup plus près du proton et se révèle bien plus sensible à sa taille. L'équipe a trouvé 0,84184 femtomètre, une valeur environ 4 % plus petite, un écart trop important pour être imputé à une erreur de mesure.

Les physiciens ont appelé ce désaccord l'énigme du rayon du proton, et certains y ont vu, avec espoir, le signe d'une force de la nature encore inconnue. En 2019, l'expérience PRad, au Jefferson Lab, en Virginie, a signalé un nouveau type de mesure par diffusion d'électrons, qui a donné 0,831 femtomètre, une valeur proche de la plus petite. En 2026, une étude précise de l'hydrogène ordinaire, menée à l'Institut Max Planck d'optique quantique, en Allemagne, a confirmé ce résultat, et ses auteurs considèrent désormais l'énigme comme résolue.

La brique de base de chaque élément

Le nombre de protons dans un noyau détermine de quel élément il s'agit. Tout atome comportant un proton est de l'hydrogène, et tout atome en comportant six est du carbone. Un proton a une masse 1 836 fois supérieure à celle d'un électron, si bien que les protons et les neutrons du noyau concentrent presque toute la masse de l'atome.