Progrès dans le cas du puzzle proton-rayon

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Le proton, découvert il y a 100 ans, est un élément essentiel de la matière visible. Le noyau d’un atome d’hydrogène est constitué d’un seul proton, ce qui fait de cet atome une plate-forme appropriée pour la détermination des propriétés intrinsèques du proton. Une de ces propriétés est le rayon de charge du proton, qui correspond à l’étendue spatiale de la distribution de la charge du proton. En 2010, une mesure très précise du rayon du proton a été réalisée à l'aide de la spectroscopie d'hydrogène muonique – une forme exotique d'hydrogène dans laquelle l'électron est remplacé par une version plus lourde appelée muon.. Cependant, la valeur obtenue était inférieure de près de 4% à celle précédemment acceptée.. Bezginov et al., et Xiong et al.,, rapportent des expériences qui pourraient représenter un pas décisif dans la résolution de ce casse-tête proton-rayon.

Les physiciens en atomique déterminent le rayon du proton en mesurant la différence d'énergie entre deux états électroniques d'un atome d'hydrogène à l'aide de la spectroscopie. Selon la mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle que l'électron se trouve à l'intérieur du proton si l'électron est dans un état sans rotation (un S Etat). Lorsqu'il est à l'intérieur, l'électron est moins fortement influencé par la charge électrique du proton qu'il ne le serait autrement. Cet effet affaiblit légèrement la liaison de l'électron et du proton et provoque un changement minime de l'énergie du S Etat par rapport aux autres Etats. La haute précision obtenue à la fois par les expériences et par la théorie de l'électrodynamique quantique permet d'extraire ce décalage d'énergie et, à son tour, le rayon du proton, à partir de mesures.

Un muon est environ 200 fois plus lourd qu'un électron. En conséquence, il est beaucoup plus probable que le muon d'un atome d'hydrogène muonique se trouve à l'intérieur du proton que l'électron d'un atome d'hydrogène ordinaire. En conséquence, le transfert d'énergie associé est d'environ 8 millions (2003) fois plus grande pour l'hydrogène muonique que pour l'hydrogène ordinaire. L’hydrogène muonique est donc une sonde très sensible du rayon du proton.

Les travaux de Bezginov et de ses collègues concernent le transfert de Lamb de l’hydrogène ordinaire – la différence d’énergie entre les 2S et 2P états excités. Ce décalage a été étudié précédemment dans l’hydrogène muonique,. Pour mesurer le décalage de Lamb, les auteurs ont développé une méthode expérimentale cela dérive d'une technique connue sous le nom d'interférométrie de Ramsey, qui est utilisée dans les horloges atomiques.

Cette méthode expérimentale présente de nombreux avantages techniques par rapport aux autres approches en ce qui concerne l'élimination des incertitudes systématiques, le filtrage du bruit environnemental et la simplicité de la forme du signal spectral. Une caractéristique clé de la configuration est la possibilité de mesurer un spectre complet en seulement quelques heures. Cela a permis à Bezginov et al. réaliser une étude minutieuse des incertitudes systématiques et extraire une valeur précise du rayon du proton: 0,833 ± 0,010 femtomètre (1 fm = 10–15 mètres).

Les physiciens nucléaires mesurent le rayon du proton en utilisant la diffusion «élastique» des électrons des protons. Dans cette interaction, l'électron incident transfère de l'énergie au proton ciblé par l'échange d'un photon virtuel (transitoire). De manière similaire à la microscopie, les photons à longueur d'onde courte (qui transfèrent beaucoup d'énergie) révèlent des détails à petite échelle. Pour déterminer l’étendue de la répartition de la charge du proton, il faut en principe utiliser des photons de longueur d’onde infinie (qui transfère une énergie nulle), mais aucune diffusion ne se produirait dans cette situation. Les expériences visent donc à atteindre le transfert d'énergie le plus bas possible, puis à extrapoler à zéro. Cette extrapolation, qui repose sur une paramétrisation des données expérimentales, est l’un des principaux défis à relever pour déterminer avec précision le rayon du proton.

Xiong et ses collègues ont mis en œuvre plusieurs améliorations clés par rapport aux précédentes études de leur expérience, celle de Proton Radius au laboratoire Jefferson en Virginie. De manière cruciale, cette étude explore des transferts d'énergie extrêmement faibles (dix fois plus proches de zéro que les données précédentes) tout en recherchant des transferts d'énergie plus importants, afin d'assurer la cohérence avec les données existantes. Les électrons dispersés ont été détectés grâce à leur perte d'énergie dans un détecteur appelé calorimètre électromagnétique. Cette configuration évitait l'utilisation d'un spectromètre magnétique dont les réglages multiples induisent des erreurs systématiques.

De plus, plutôt que de faire des mesures absolues, Xiong et al. s'est appuyé avantageusement sur des mesures relatives. Plus précisément, ils ont déterminé le rapport entre le nombre d'événements correspondant à la diffusion élastique électron-proton et le nombre lié à la diffusion de Møller – un processus bien compris et calculable de l'électrodynamique quantique dans lequel des électrons sont diffusés à partir d'électrons atomiques. Cette stratégie a entraîné l’annulation de nombreux effets systématiques associés aux mesures absolues.

De plus, les protons se trouvaient dans un gaz hydrogène qui était conservé dans une chambre sans fenêtres d'entrée et de sortie, contrairement à ce qui avait été fait lors d'expériences antérieures similaires. Cette disposition évitait les bruits de fond qui auraient été produits par l’interaction des particules avec les matériaux des fenêtres. Globalement, l’organisation choisie par Xiong et ses collègues, des vérifications minutieuses de l’incertitude systématique à chaque étape et une étude exhaustive de plusieurs paramétrisations visant à extrapoler les données au transfert d’énergie zéro corroborent leur valeur pour le rayon du proton: 0,831 ± 0,014 fm.

Les mesures indépendantes du rayon du proton effectuées par Bezginov et al. et Xiong et al. sont précis et cohérents (Fig. 1). Ils font pencher la balance en faveur d'un rayon de proton réduit, en accord avec les résultats très précis des expériences sur l'hydrogène muonique.,.

Figure 1 | Valeurs pour le rayon du proton. Une propriété clé du proton est son rayon de charge – l'étendue spatiale de sa distribution de charge. Cette quantité est exprimée en femtomètres (1 fm est 10–15 mètres). Les points de données sont les valeurs du rayon du proton obtenues au cours de la dernière décennie, y compris les derniers résultats, de Bezginov. et al. et Xiong et al., avec les incertitudes indiquées par les barres d’erreur. Les données ont été obtenues en utilisant trois techniques de mesure différentes: la diffusion électron – proton,, spectroscopie d'hydrogène ordinaire,, et spectroscopie d'un type exotique d'hydrogène appelé hydrogène muonique,. Les barres d'erreur pour les deux points de données associés à la spectroscopie muonique-hydrogène sont trop petites pour être représentées sur cette figure. Les bandes indiquent les valeurs adoptées par le Comité des données pour la science et la technologie (CODATA) en 2014. et en 2018 (voir).

Mais pour résoudre de manière concluante le casse-tête rayon-proton, il reste à comprendre pourquoi il existe des divergences entre les derniers résultats et les données de la spectroscopie précédente. et diffusion électron – proton expériences. Par exemple, la valeur du rayon du proton adopté par le Comité sur les données pour la science et la technologie en 2014 était de 0,8751 ± 0,0061 fm. Aucune explication convaincante n'ayant été proposée pour ces divergences, des efforts doivent être déployés à l'échelle mondiale pour valider les derniers résultats et évaluer de manière critique les différentes techniques de mesure.

Les expériences de nouvelle génération fourniront des approches novatrices à cette tâche. Par exemple, l'expérience de diffusion de muons à l'Institut Paul Scherrer en Suisse, étudie simultanément la diffusion muon – proton et électron – proton. Cette expérience teste les différences possibles dans le comportement des électrons et des muons – une observation qui impliquerait l'existence d'une physique allant au-delà de celle du modèle standard de la physique des particules. Du côté de la spectroscopie, les mesures de haute précision seront étendues à d'autres noyaux tels que l'hélium et à des molécules. Il est hautement probable que la récolte de résultats d’expériences futures résoudra non seulement de manière décisive, mais pourrait aussi expliquer, le casse-tête rayon-proton.

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