Quelle est la taille du proton? Un casse-tête particulaire se rapproche de la résolution

Un résultat expérimental attendu depuis longtemps a montré que le proton était environ 5% plus petit que la valeur précédemment acceptée. La découverte a permis de redéfinir la taille officielle de la particule et semble sonner le glas du ‘’, qui fascine les physiciens depuis 2010.

Le résultat, publié dans La nature 6 novembre, le rayon de la particule est fixé à 0,831 femtomètre. Cette mesure, ainsi qu’une autre concurrente faite en utilisant une technique différente qui a été publiée dans Science en septembre, est connu des experts depuis l’année dernière. Les résultats ont amené le Comité sur les données pour la science et la technologie (CODATA) – une organisation qui enregistre les mesures les plus récentes des constantes fondamentales de la nature – à réviser son manuel à la fin de 2018, indique Krzysztof Pachucki, un physicien à l’Université de Varsovie qui préside un groupe de travail CODATA. Bien que certains chercheurs restent prudents, il pense que les derniers articles ont «définitivement résolu le problème».

Les physiciens utilisent deux techniques principales pour mesurer la taille du proton. L'une repose sur la manière dont les électrons gravitent autour des noyaux atomiques. Du fait que certaines orbites des électrons traversent les protons du noyau, la taille des protons influe sur la force de la liaison des électrons au noyau. Des mesures précises des différences entre les différents niveaux d’énergie des électrons – une technique connue sous le nom de spectroscopie – permettent donc d’estimer le rayon du proton. La deuxième technique consiste à frapper les atomes avec un faisceau de particules et à voir comment ces particules se dispersent à partir des noyaux.

À propos de tour

Il y a environ dix ans, il semblait que les expériences de spectroscopie et de diffusion avaient convergé sur un rayon de proton de 0,8768 femtomètre (millionième de millionième de millimètre).

Mais en 2010, une nouvelle tournure de la spectroscopie a jeté une incertitude sur ce consensus idyllique. À l'Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen, en Suisse, des physiciens ont créé des atomes exotiques d'hydrogène en remplaçant les électrons par des muons, une particule élémentaire semblable aux électrons mais 200 fois plus massive. Comme les muons passent plus de temps à l'intérieur du proton, leurs niveaux d'énergie sont beaucoup plus affectés que ceux des électrons. Cela signifie que les mesures en muons du rayon du proton devraient être des millions de fois plus précises que celles effectuées avec de l’hydrogène ordinaire. L’équipe a mesuré un rayon de proton de 0,84184 femtomètre.

Randolf Pohl, qui a dirigé la mesure de l’hydrogène muonique et est actuellement à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, en Allemagne, a collaboré avec d’autres qui ont confirmé cette valeur. Les chercheurs ont pensé pendant un certain temps que la divergence révélait une différence jusque-là inconnue dans le comportement des électrons et des muons, ce qui aurait pu bouleverser la théorie quantique établie des phénomènes électromagnétiques.

Plus récemment, cependant, des expériences de spectroscopie améliorées utilisant de l'hydrogène ordinaire ont été découvertes, suggérant que les muons n'étaient pas si spéciaux après tout. La perspective d'une révolution dans la physique a commencé à s'estomper. Ces efforts ont abouti à la Science papier. Après avoir passé huit ans à perfectionner une technique de spectroscopie, l’équipe responsable de ce travail a découvert un rayon de 0,833 femtomètre, ce qui correspond à la valeur des expériences sur les muons.

Mais les expériences de spectroscopie plus traditionnelles effectuées à l'Université Sorbonne à Paris ont continué d'être en désaccord avec ce résultat.. Et personne ne pouvait expliquer pourquoi la technique de diffusion avait indiqué un proton plus gros. Pour la première fois, une expérience de diffusion a également permis de trouver un proton plus petit.

Précision améliorée

La dernière expérience, appelée PRad, a utilisé un accélérateur au centre d'accélération national Thomas Jefferson, à Newport News, en Virginie. PRad envoie un faisceau d'électrons sur les molécules d'hydrogène et mesure la déviation de certains électrons. Les expériences de diffusion précédentes utilisaient des faisceaux d'électrons de plus haute énergie, de sensibilité limitée au rayon du proton, puis extrapolés à des énergies d'électrons inférieures pour déterminer le rayon. Cela signifiait qu'ils devaient faire des hypothèses théoriques qui auraient pu fausser les résultats finaux. Mais les basses énergies utilisées par PRad contournent le problème.

Pour améliorer encore la précision, PRad a injecté ses molécules d'hydrogène directement dans le tuyau à vide qui porte le faisceau d'électrons, plutôt que de le conserver dans un conteneur en métal, comme l'avaient déjà fait de nombreuses expériences précédentes. Cela signifie qu’il n’ya pas d’électrons frappant le métal et faussant la mesure. De plus, l’équipe a simultanément mesuré la diffusion du faisceau non seulement des protons de l’hydrogène, mais également de ses électrons. En comparant les deux types de diffusion, une autre source d'erreur majeure – les fluctuations de la densité de l'hydrogène – pourrait être annulée, technique que M. Pohl qualifie de «très intelligente».

Ashot Gasparian, un physicien des particules et nucléaire à la State University A & T de Greensboro en Caroline du Nord, porte-parole de PRad, pense qu'il peut encore améliorer son expérience pour améliorer sa précision.

Mais Jan Bernauer, physicien au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, qui a dirigé des mesures de diffusion antérieures qui ont révélé un proton plus grand, n’est pas entièrement convaincu par les résultats de PRad. «Je ne pense pas que le problème soit encore résolu, mais nous avons fait de grands progrès.» Il a déclaré que les expériences en cours, notamment celle débutant à PSI, permettront probablement de résoudre le problème une fois pour toutes.

Les théoriciens se sont déchaînés pour proposer des théories expliquant un muon anormal. La conclusion de la saga laissera donc de nombreux physiciens mélancoliques. «Je ne pense pas qu'il reste aucun espoir que la différence de rayon de proton soit due à une nouvelle physique», a déclaré Pohl. Mais, ajoute-t-il, des expériences conçues pour réduire la précision d'un autre ordre de grandeur pourraient encore révéler un écart moindre par rapport à la théorie établie. "Toutes ces idées ne disparaissent pas simplement parce que les mesures concordent."