Une mesure précise de physiciens résout l’énigme de longue date du rayon du proton

Considérez l’humble atome d’hydrogène. Numéro atomique 1 – le premier élément du tableau périodique. L’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers connu.

Chacun de ces minuscules atomes est constitué d’un seul proton chargé positivement dans son noyau et d’un seul électron chargé négativement qui tourne autour. Ensemble, ils forment un système à la fois simple et bien compris. Cela en fait une excellente plateforme pour la recherche fondamentale sur les interactions complexes entre particules qui constituent l’univers tel que nous le connaissons.

Mais un détail clé concernant les atomes d’hydrogène fait débat depuis 10 ans : le rayon exact du proton situé dans le noyau. Cette divergence est connue sous le nom d’énigme du rayon du proton.

Des chercheurs en physique de l’Université d’État du Colorado ont tranché cette question grâce à une nouvelle mesure incroyablement précise du rayon de la particule. Cette découverte a récemment été mise en avant dans Physical Review Letters. Ces travaux confirment en outre une théorie fondamentale de la physique, le Modèle Standard, qui explique le comportement de l’univers, tout en ouvrant la voie à des recherches plus approfondies.

Lorsque les scientifiques mesuraient auparavant le rayon d’un proton d’hydrogène à l’aide d’électrons, ils obtenaient une réponse. Mais lorsqu’ils utilisaient des particules différentes et plus lourdes pour vérifier leurs résultats, le rayon semblait légèrement plus petit. Pour les chercheurs, cela revenait à découvrir qu’une maison semble avoir deux tailles différentes selon qu’elle est mesurée avec un mètre ruban traditionnel ou un laser moderne. La réponse devrait être la même, et les deux approches sont tout aussi valables.

Cette divergence semblait suggérer que les expériences précédentes visant à mesurer la taille d’un proton pouvaient présenter une sorte de problème non résolu ou systématique. Soit leur équipement n’était pas assez précis, soit les règles fondamentales que les physiciens utilisent pour décrire l’univers devaient être mises à jour.

La nouvelle mesure incroyablement précise réalisée par des physiciens de la CSU établit le rayon d’un proton à environ 0,84 femtomètre, soit moins d’un billiardième de mètre. Cela diffère de la taille précédemment acceptée de 0,876 femtomètre. La légère divergence équivaut à mesurer toute la longueur des États-Unis et à découvrir que vous vous êtes trompé de la taille d’un virus dans le total. Cependant, cette petite clarification – confirmée indépendamment et presque simultanément par une équipe de l’Institut Max Planck en utilisant une méthode de mesure différente – semble enfin résoudre la divergence de l’énigme.

La modification de la mesure acceptée du proton peut être minuscule, mais la confirmation a de grandes implications pour notre compréhension de l’univers et de son fonctionnement.

Dylan Yost a dirigé le projet et est professeur associé au Département de physique de la CSU. Il a déclaré que les résultats de leurs tests rigoureux correspondent aux attentes du Modèle Standard, qui prédit avec précision comment les particules, y compris les électrons, les muons et les protons, interagissent. Les résultats indiquent également que la divergence persistante provient probablement de problèmes subtils dans les mesures précédentes ou dans le traitement de certaines constantes dérivées de données expérimentales.

« Notre test montre un accord précis avec la théorie sur la taille d’un proton à des niveaux de précision de l’ordre du billionième, éliminant la possibilité qu’une nouvelle force ou particule soit responsable de la divergence dans ce cas. Cela aurait considérablement modifié le Modèle Standard et c’est quelque chose que les chercheurs recherchent », a-t-il déclaré. « Cela ne semble pas être le cas dans cette instance cependant. »

Depuis des années, l’équipe de Yost développe des expériences de spectroscopie de paillasse avec des lasers pour effectuer ce type de mesures. Pour ce projet, l’équipe a produit un faisceau d’hydrogène atomique dans une chambre à vide, puis a utilisé des lasers pour stimuler leurs électrons entre différents niveaux d’énergie. Comme la taille du proton affecte subtilement le comportement des électrons dans leur orbite, les chercheurs ont pu déduire le rayon en mesurant précisément la réponse des électrons au laser lors de ces transitions d’énergie. L’expérience a également servi de test important de l’électrodynamique quantique, la théorie qui décrit comment la lumière et la matière interagissent à l’échelle atomique.

L’étudiant au doctorat Ryan Bullis est l’auteur principal de l’article. Il a déclaré que l’un des principaux défis du projet était de développer une technique pour étudier ces transitions d’énergie clés en détail.

« Ces atomes se déplacent très vite et n’interagissent pas longtemps avec le laser, ce qui peut effacer les signaux que nous recherchons », a-t-il déclaré. « Nous avons développé une nouvelle technique qui utilise deux champs laser en même temps pour augmenter la précision de nos mesures. »

Il a ajouté qu’il était incroyablement gratifiant de poursuivre puis de mettre en œuvre la technique – une première du genre pour cet objectif – dans le cadre de sa thèse.

Yost a déclaré que l’approche à petite échelle du projet offrait une grande flexibilité. Ils pouvaient changer rapidement leur équipement ou prioriser différentes mesures en fonction des résultats et du succès des nouvelles techniques. Il a également souligné que leur approche était particulièrement utile pour rechercher des particules légères et faiblement interactives par rapport à des installations comme le Grand collisionneur de hadrons, qui sont mieux adaptées pour trouver des particules plus lourdes et des interactions plus fortes avec une infrastructure permanente à grande échelle.

Cependant, il a déclaré que les deux types d’expériences sont nécessaires pour continuer à repousser les limites du Modèle Standard.

« Les deux approches répondent à des besoins différents. Avec nos expériences, nous pouvons découvrir et étudier la physique fondamentale sans grands accélérateurs de particules. Notre travail est comme un voyant de moteur qui s’allume, indiquant au conducteur qu’il doit enquêter sur un problème potentiel », a-t-il déclaré. « Notre travail peut vous dire où chercher ou ce qui fonctionne, mais vous avez besoin des deux équipes pour continuer à examiner et sonder pleinement le Modèle Standard à la recherche d’une nouvelle physique. »

Yost a déclaré que son équipe utilisera désormais les méthodes de ce projet pour étudier et mesurer des versions plus complexes de l’hydrogène, comme le deutérium.

« Nous pouvons laisser l’hydrogène de côté pour l’instant car nous pouvons être satisfaits qu’il se comporte comme il se doit. Cela nous permet d’examiner d’autres éléments et interactions pour nous assurer qu’ils font ce que nous pensons qu’ils devraient faire », a-t-il déclaré. « Il y a toujours une chance que les capacités futures nous permettent d’être encore plus précis. Mais nous sommes prêts à replonger et à continuer de combler le fossé entre la théorie et l’expérience dans le domaine de la physique atomique, moléculaire et optique. »

Article : Precision Spectroscopy of 2S-nS Transitions in Atomic Hydrogen: A Determination of the Proton Charge Radius – Journal : Physical Review Letters – DOI : Lien vers l’étude

Source : Colorado U.