Des chercheurs de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ), à Garching, en collaboration avec le Pr Randolf Pohl de l’Institut de physique de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), ont mené avec succès des expériences sur des atomes d’hydrogène qui permettent de tester le modèle standard de la physique des particules jusqu’à la 13e décimale. En matière de mesures utilisant des atomes d’hydrogène, il s’agit du résultat le plus précis à ce jour. Il permet aux chercheurs, entre autres, de tester des prédictions dans l’hydrogène et de résoudre l’énigme dite du rayon du proton. Cette énigme existait depuis que des mesures sur deux types d’hydrogène indiquaient des rayons de proton différents. Les nouveaux résultats de recherche ont récemment été publiés dans la revue Nature.
Nouveau référentiel pour mesurer le niveau d’énergie de l’atome d’hydrogène
Le modèle standard de la physique des particules englobe la physique à la plus petite échelle dans un modèle composé de particules et de forces. L’une de ses composantes fondamentales est l’électrodynamique quantique (QED). Elle décrit comment la lumière et la matière interagissent fondamentalement entre elles.
« Parce que l’hydrogène est relativement simple, il se prête bien aux calculs. Cela signifie que nous pouvons l’utiliser pour tester la QED, et donc le modèle standard« , explique le Pr Randolf Pohl. Pour leur expérience, les chercheurs ont analysé la structure énergétique de l’hydrogène en utilisant la spectroscopie laser de haute précision. Ils ont examiné deux niveaux d’énergie différents et déterminé l’énergie nécessaire pour passer d’un niveau à l’autre, ou plus spécifiquement, leur fréquence de transition. La fréquence de transition mesurée confirme le modèle standard avec un écart inférieur à un billionième (0,7 partie par billion). Avec cela, les chercheurs ont établi un nouveau référentiel dans la mesure des niveaux d’énergie des atomes d’hydrogène. « Cette mesure est aussi bonne que le moment magnétique anormal de l’électron – l’étalon-or actuel pour la confirmation du modèle standard« , déclare Pohl.
Grâce à cette précision, les mesures prises confirment des prédictions faites par le modèle standard qui n’avaient jamais été confirmées auparavant dans l’hydrogène ordinaire. « Nous sommes capables de voir des contributions très petites, extrêmement intéressantes, qui résultent de l’interaction avec des particules plus complexes appelées hadrons« , déclare le Dr Lothar Maisenbacher du MPQ, auteur principal de l’étude. Le Dr Vitaly Wirthl, co-auteur et également du MPQ, complète : « Dans les contributions à la fréquence de transition, nous voyons des muons dans l’hydrogène électronique pour la première fois. En théorie, les paires de particules muon-antimuon contribuent à la polarisation du vide, ce qui est pertinent pour la précision de notre mesure.«
Résolution d’une ancienne divergence
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En plus de tester le modèle standard et la QED, les scientifiques ont également utilisé la mesure de l’hydrogène pour étudier l’incohérence avec les mesures antérieures dans l’hydrogène muonique. Ces mesures, dirigées par le Pr Pohl, utilisent l’hydrogène muonique qui possède un muon au lieu d’un électron. Cette particule élémentaire est similaire à un électron, car elle porte la même charge. Cependant, elle est plus de 200 fois plus lourde et a une durée de vie de seulement deux microsecondes. Les nouvelles données de mesure signifient que la divergence entre les deux types d’hydrogène peut être significativement écartée pour la première fois. Les deux types ont un rayon de proton de 0,8406 femtomètres. Cependant, il reste peu clair comment expliquer la divergence mesurée précédemment.
L’expertise de Mayence
Le MPQ, où Randolf Pohl a travaillé de 2005 à sa nomination à Mayence en 2017, était en charge des expériences actuelles. Les expériences ont été préparées à partir de 2011. Après les mesures finales prises en 2019, les chercheurs ont évalué les données et quantifié un grand nombre d’effets d’interférence potentiels. Randolf Pohl est membre du cluster d’excellence PRISMA ++ ainsi que du centre de recherche collaboratif « Hadrons et noyaux comme outils de découverte » à la JGU. Son groupe de recherche étudie l’hydrogène ordinaire et muonique et travaille actuellement sur un appareil capable de mesurer le tritium – l’hydrogène avec deux neutrons supplémentaires dans son noyau atomique.
Article : Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : UNI-MAINZ
