Une nouvelle mesure résout une énigme qui passionnait les physiciens depuis près d'une décennie.
En 2010, des physiciens allemands, menés par Randolf Pohl de l'Institut Max Planck d'optique quantique, ont réalisé une mesure exceptionnellement précise du rayon du proton, élément constitutif chargé positivement des noyaux atomiques. Leur résultat a suscité un vif intérêt scientifique.
Ils ont utilisé de l'hydrogène muonique, où l'électron est remplacé par un muon – une particule similaire mais 207 fois plus massive. Cela a révélé un rayon de 0,84 femtomètre (fm), soit 4 % de moins que la valeur moyenne des mesures précédentes sur l'hydrogène ordinaire (environ 0,877 fm).
Si confirmée, cette "réduction" en présence de muons suggérait des phénomènes physiques inconnus. Plus de 200 articles ont exploré cette interaction au fil des ans.
Cependant, une étude publiée dans Science le 6 septembre 2019 met fin à cette "énigme du proton". L'équipe d'Eric Hessels, de l'Université York à Toronto, a remesuré le rayon dans l'hydrogène ordinaire avec des électrons, obtenant 0,833 fm ± 0,010 fm – identique à celle de Pohl.
Les anciennes mesures à base d'électrons étaient simplement erronées.
Ces résultats ultra-précis montrent que la taille du proton est indépendante du contexte : muons ou électrons. Les mesures antérieures surestimaient la valeur réelle.
Randolf Pohl qualifie ce résultat de "fantastique", bien qu'il soit la plus prosaïque des explications. Eric Hessels se réjouit de la cohérence avec l'hydrogène muonique, tout en notant : "Nous n'avons pas encore compris toutes les lois de la physique."
La mesure reposait sur le décalage de Lamb – différence d'énergie entre les niveaux 2S et 2P de l'hydrogène. Hessels visait cette mesure depuis les années 1980, motivé par l'énigme du proton.
Illustration : Les positions probables de l'électron dans les niveaux 2S et 2P. Le proton est au centre. En 2S, l'électron chevauche le proton ; en 2P, jamais.
Plus le proton est grand, plus l'électron y pénètre longtemps.
En 2S, l'électron entre dans le proton (quarks et gluons avec espace vide), où la charge s'annule partiellement, réduisant l'énergie de liaison. Plus le proton est volumineux, plus cet effet est marqué.
L'équipe a excité les atomes avec un laser, mesurant l'énergie pour passer de 2S à 2P (sans chevauchement). Cela a permis de déduire la taille du proton.
Dans l'hydrogène muonique, l'effet est des millions de fois plus fort en raison de la masse du muon.
Hessels a atteint une précision de parties par million. Les anciennes mesures surestimaient le rayon ; les raisons restent à élucider. Pour lui, le dossier est clos : "Nous démontons l'installation."
Source originale : Quanta Magazine, publication indépendante de la Fondation Simons pour la vulgarisation scientifique.
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