Une nouvelle mesure semble mettre fin à une irrégularité qui fascine les physiciens depuis près d'une décennie.
En 2010, des physiciens allemands ont annoncé qu'ils avaient pu effectuer une mesure exceptionnellement précise de la taille du proton, l'élément constitutif chargé positivement des noyaux atomiques. Le résultat a intrigué les scientifiques.
Randolf Pohl de l'Institut Max Planck d'optique quantique et un certain nombre de collaborateurs avaient mesuré le proton à l'aide d'atomes d'hydrogène spéciaux. Ils avaient remplacé l'électron qui tourne normalement autour du proton par un muon, une particule identique à l'électron, mais qui a 207 fois plus de masse. L'équipe de Pohl a découvert que les protons autour desquels tourne un muon ont un rayon de 0,84 femtomètres. C'est quatre pour cent de moins que le résultat moyen d'une vingtaine de mesures précédentes du rayon des protons dans l'hydrogène ordinaire.
Si cette différence pouvait être consolidée - et ainsi les protons rétrécissent en présence de muons - cela signifierait que des phénomènes physiques inconnus sont en jeu entre les protons et les muons. Des centaines d'articles sur cette interaction potentielle ont été publiés au cours des dix années qui ont suivi la découverte fondamentale.
Mais l'espoir que "l'énigme du faisceau de protons" bouleverserait la physique des particules et révélerait de nouvelles lois de la physique a maintenant été anéanti par une nouvelle mesure sur laquelle Science le 6 septembre.
Les anciennes mesures d'hydrogène basées sur les électrons étaient tout simplement fausses
Après les découvertes de Pohl basées sur l'hydrogène muonique il y a neuf ans, une équipe de physiciens dirigée par Eric Hessels de l'Université York à Toronto a décidé de remesurer le proton dans l'hydrogène normal avec des électrons. Les résultats de cette étude sont enfin disponibles :Hessels et son équipe ont fixé le rayon du proton à 0,833 femtomètre, avec une marge d'erreur de 0,01 femtomètre. Exactement la même valeur que celle à laquelle Pohl était déjà parvenu. Les deux mesures sont plus précises que celles des expériences précédentes, et indiquent que le contexte n'a aucune influence sur la taille du proton :les anciennes mesures basées sur l'hydrogène avec des électrons s'avèrent tout simplement fausses.
Pohl, qui a appris les découvertes préliminaires de Hessels lors d'un atelier à l'été 2018, l'a qualifié de "résultat fantastique", bien que ce soit celui qui "indique l'explication la plus prosaïque" de l'énigme du faisceau de protons.
De même, Hessels a déclaré que lui et ses collègues étaient très heureux que la mesure "corresponde à la mesure très précise basée sur l'hydrogène muonique", même si le résultat a un arrière-goût quelque peu aigre-doux. "Nous réalisons que nous n'avons pas encore compris toutes les lois de la physique", a-t-il déclaré, "nous devons donc nous plonger dans toutes ces choses qui peuvent nous aider à nous mettre sur la bonne voie."
Cependant, le rayon du proton n'était pas facile à déterminer. Pour déterminer sa valeur, Hessels et ses collègues ont dû mesurer le décalage de Lamb :la différence entre les premier et deuxième niveaux d'énergie excités de l'hydrogène, les coquilles dites 2s et 2p. Hessels a déclaré qu'il voulait mesurer le décalage de Lamb depuis les années 1980, alors qu'il était étudiant, mais l'énigme du faisceau de protons l'a incité à le faire. "C'est une mesure très difficile", a-t-il dit, "j'avais besoin d'une bonne raison pour cela."
Illustration ci-dessus : A partir des couches 2s et 2p de l'hydrogène, il est possible de déduire où se trouve l'électron à chaque instant possible. Ces images montrent les emplacements possibles de l'électron à chaque niveau d'énergie. Le proton, non indiqué ici, est au centre de chaque image. Dans la couche 2s, l'électron chevauche le proton, et pendant un temps non égal à zéro, l'électron est à l'intérieur du proton lui-même. Dans la couche 2p, l'électron et le proton ne se chevauchent jamais.
Plus le proton est gros, plus l'électron est long
Du décalage de Lamb, qui porte le nom du physicien américain Willis Lamb qui tenta le premier de mesurer le décalage en 1947, le rayon du proton peut être déduit comme suit :lorsqu'un électron orbite autour du proton dans la couche 2s, il se déplace également par intermittence à l'intérieur du proton (qui est composé de particules élémentaires appelées quarks et gluons, avec beaucoup d'espace libre entre les deux). Lorsque l'électron est à l'intérieur du proton, la charge du proton attire l'électron dans des directions opposées, s'annulant partiellement. Par conséquent, l'attraction électrique entre les deux diminue et l'atome perd une partie de son énergie de liaison. Plus le proton est gros, plus l'électron est long en lui. En conséquence, l'électron est moins fortement lié et peut s'échapper plus facilement.
Hessels et son équipe ont tiré un faisceau laser sur un nuage d'hydrogène gazeux, faisant sauter les électrons de la couche 2s à la couche 2p, dans laquelle l'électron et le proton ne se chevauchent jamais. Le calcul de la quantité d'énergie nécessaire à l'électron pour effectuer ce saut a montré à quel point l'électron était faiblement lié dans la couche 2s, lorsqu'il se trouve par intermittence à l'intérieur du proton. La taille du proton pourrait en être dérivée directement.
En 2010, Pohl a suivi la même logique pour dériver le rayon du proton du déplacement de Lamb de l'hydrogène muonique. Mais comme les muons sont plus lourds, ils s'accumulent plus densément autour des protons que les électrons dans la couche 2s. Cela signifie également qu'ils restent plus longtemps à l'intérieur du proton, de sorte que l'effet du rayon du proton sur le déplacement de Lamb dans l'hydrogène muonique est des millions de fois plus fort que dans l'hydrogène normal.
Dans ce dernier cas, Hessels a dû mesurer la différence d'énergie entre les coquilles 2s et 2p à un niveau de précision de parties par million afin de dériver une valeur exacte pour le rayon du proton.
Les nouveaux résultats indiquent que les tentatives précédentes pour mesurer le rayon du proton dans l'hydrogène avec des électrons ont surestimé la valeur réelle. On ne sait pas encore comment cela se produit. Certains chercheurs continueront peut-être d'améliorer et de retracer les mesures de la taille du proton pour enfin résoudre l'énigme, mais pour Hessels, le travail est fait. "Nous démontons notre installation", a-t-il déclaré.
Cet article a été initialement publié par QuantaMagazine.org, une publication en ligne indépendante sur le plan éditorial lancée par la Fondation Simons pour améliorer la compréhension publique de la science.
