Pourquoi le proton ne se désintègre pas
Un proton isolé - c’est-à-dire non confiné dans un noyau instable - ne se transforme pas spontanément en particules plus légères. En pratique, il est donc stable. Cette stabilité repose sur deux raisons essentielles : une contrainte théorique du Modèle Standard, connue sous le nom de conservation du nombre baryonique, et le fait que le proton occupe l’état d’énergie le plus bas parmi tous les baryons.
La conservation du nombre baryonique
Dans le Modèle Standard de la physique des particules, on définit une grandeur conservée appelée nombre baryonique $B$, de la manière suivante :
- Chaque baryon (comme le proton ou le neutron) possède $B = +1$.
- Chaque antibaryon possède $B = -1$.
- Toutes les autres particules (leptons, photons, etc.) ont $B = 0$.
Les interactions forte et faible - responsables de la quasi-totalité des transformations de particules - respectent rigoureusement la conservation du nombre baryonique.
Autrement dit, un processus n’est réalisable que si le nombre baryonique total reste identique avant et après la réaction.
Pour qu’un proton libre puisse se désintégrer, l’état final devrait donc comporter d’autres particules avec le même nombre baryonique, $B = +1$.
Or, comme le proton est le baryon le plus léger, il n’existe aucun état de masse inférieure avec $B = +1$ dans lequel il pourrait se transformer.
$$ m_p \approx 938.27 \ \text{MeV}/c^2 $$
Tous les autres baryons (comme le neutron ou les résonances $\Delta$) sont plus massifs. Quant aux particules stables plus légères connues - électrons, neutrinos, photons - , elles ont toutes $B = 0$ ; les produire seules violerait donc la conservation du nombre baryonique.
Ainsi, dans le cadre du Modèle Standard, le proton est stable précisément parce qu’il constitue le baryon le plus léger possible.
Même si l’on envisageait une situation où la conservation du nombre baryonique ne serait pas absolue, aucune combinaison de particules stables plus légères ne permettrait la désintégration du proton sans enfreindre en outre la conservation de l’énergie.
Remarque. Certains cadres théoriques au-delà du Modèle Standard - comme les théories de grande unification (GUT) - supposent que le nombre baryonique n’est pas une symétrie parfaite. Dans ce contexte, le proton pourrait, en principe, se désintégrer par des canaux tels que : $$ p \rightarrow e^+ + \pi^0 $$ $$ p \rightarrow e^+ + \gamma $$ Cependant, les recherches expérimentales imposent des limites extrêmement strictes : la durée de vie du proton doit excéder $10^{34}$ ans, soit bien plus que l’âge actuel de l’univers ($\sim 1.4 \times 10^{10}$ ans). À ce jour, aucune observation n’a mis en évidence une désintégration du proton.
