Quelle est la taille du proton ?

Le proton, l'un des constituants fondamentaux de la matière, serait plus petit que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Une collaboration internationale de physiciens, à laquelle participe l'équipe Métrologie des Systèmes Simples et Tests Fondamentaux du Laboratoire Kastler Brossel (ENS Paris/UPMC/CNRS), vient de mesurer avec une extrême précision le « rayon » du proton. La valeur obtenue est différente de la valeur mesurée précédemment... Ceci pourrait remettre en cause certaines prédictions de l'électrodynamique quantique, l'une des théories fondamentales de la physique quantique, ou bien la valeur de la constante de Rydberg (constante physique la plus précise à ce jour).

Alors que l'électron est considéré comme une particule « sans taille », le proton, qui est constitué de quarks, est un objet étendu. Jusqu'à présent, seules deux méthodes avaient permis de mesurer son rayon. Basées sur l'étude des interactions entre un proton et un électron, elles s'intéressent soit aux collisions entre un électron et un proton, soit à l'atome d'hydrogène (atome constitué d'un électron et d'un proton). La valeur ainsi obtenue est de 0,877 femtomètre (à +/-0,007).

Pour déterminer plus précisément le rayon des protons, les physiciens ont utilisé de « l'hydrogène muonique » au sein duquel l'électron est remplacé par un muon, une particule élémentaire chargée négativement et 200 fois plus lourd que l'électron. Selon les lois de la physique quantique, le muon évolue donc 200 fois plus « près » du proton que ne le fait l'électron dans l'hydrogène « normal » et son énergie de liaison à l'atome dépend alors plus fortement de la taille finie du proton, en particulier le déplacement de Lamb (la différence d'énergie entre les niveaux 2S1/2 et 2P1/2).

Les chercheurs contraignent les muons à effectuer cette transition entre ces deux niveaux sous l’effet d’un faisceau laser bien ajusté opérant dans l’infrarouge (λ = 6 μm). Pour cela, un laser infra-rouge a été spécialement conçu, notamment avec l’aide de 6 chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB). Après plusieurs séries de mesures menées à l'accélérateur de l'Institut Paul Scherrer en Suisse, où le faisceau de muons est particulièrement intense, les chercheurs ont obtenu une valeur inattendue pour le rayon du proton. Il est de 0,8418 femtomètre (à +/- 0,0007), au lieu de 0,877 femtomètre pour les mesures utilisant des électrons. Cette différence est beaucoup trop importante pour qu'on puisse l'imputer à des imprécisions dans les mesures et les physiciens ne savent pas l'expliquer pour le moment.

Les chercheurs envisagent de reproduire prochainement cette expérience avec de l'hélium muonique (à la place de l'hydrogène).

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