Le proton est plus petit que ce que l'on pensait

Les protons font partie des composants fondamentaux de la matière: avec les neutrons, ils constituent les noyaux des atomes. De leur côté, les électrons gravitent autour des noyaux, formant ainsi les différents éléments. Ces trois types de particules constituent pratiquement tout ce qui nous entoure. L'atome d'hydrogène comporte un seul proton autour duquel gravite un électron. C'est l'un des systèmes de physique quantique les plus simples et, historiquement parlant, il a souvent été le meilleur matériau pour l'étude des questions fondamentales de la physique. Le lauréat du prix Nobel de physique 2005, Theodor Hänsch de l'institut Max Planck d'optique quantique et membre de cette équipe de recherche appelle cet atome d'hydrogène la pierre de Rosette de la physique quantique.

Pour déterminer le rayon des protons, les chercheurs ont remplacé dans différents atomes d'hydrogène les électrons par des muons chargés négativement. Ces derniers sont 200 fois plus lourds que les électrons et doivent donc, selon les lois de la physique quantique, évoluer nettement plus près du proton, si bien que les propriétés de leur trajectoire dépendent beaucoup plus fortement de la taille des protons. Il est ainsi possible de déterminer le rayon des protons d'une manière nettement plus précise à partir des propriétés de la trajectoire des muons. Les propriétés de la trajectoire des muons ont été déterminées à l'aide d'un laser à infra-rouge spécialement conçu pour cela dont l'énergie, c'est-à-dire la couleur de la lumière laser, peut être réglée avec des pas très courts. Et qui réagit très rapidement. En effet, un muon se désintègre en 2 millionièmes de secondes, et pendant ce temps, il faut aussi réaliser la mesure sur l'atome exotique car celui ci disparaît également lorsque le muon se désintègre.

Une divergence inattendue

En fait, nous voulions mesurer la valeur connue du rayon des protons avec davantage de précision afin de pouvoir vérifier la théorie de l'interaction entre la lumière et la matière. Nous n'aurions pas pensé qu'il puisse y avoir des divergences entre les valeurs connues et nos mesures, explique Franz Kottmann, l'un des chercheurs participant au projet depuis ces débuts. Cependant, le résultat différait nettement de la valeur déjà connue pour le rayon des protons: 0,84184 femtomètre (1 femtomètre = 0,00 000 000 000 000 1 mètre) au lieu de 0,8768 femtomètre, une différence beaucoup trop importante pour qu'on puisse l'imputer à des imprécisions dans les mesures. Soit la théorie la plus précise de la physique – la théorie quantique de l'électro-magnétisme –soit la constante physique déterminée de la façon la plus précise – la constante de Rydberg – doivent être corrigées , explique le physicien Aldo Antognini en ajoutant: D'autres devront déterminer où se trouve l'erreur. Mais notre prochaine expérience, au cours de laquelle nous utiliserons de l'hélium à la place de l'hydrogène, devrait fournir à ce sujet de précieuses indications .

Pour l'expérience, tous les appareils ont dû être conçus et construits ex nihilo, Si bien qu'il s'est écoulé dix ans environ entre le début de l'expérience et le résultat, souligne Franz Kottmann. D'ailleurs, au PSI, l'idée de cette expérience avait été lancée il y a 30 ans déjà. Cependant, à l'époque, nous n'avions pas les possibilités techniques pour la réaliser effectivement.

Les chercheurs ont réalisé leurs mesures sur l'accélérateur du PSI. Cette expérience ne pouvait être réalisée nulle part ailleurs car il n'y a qu'ici que le faisceau de muons est assez puissant, précise Aldo Antognini. Ce faisceau particulièrement intense est nécessaire pour qu'un nombre suffisant d'atomes muoniques se forment pendant l'expérience. Et c'est aussi pour cela que les expériences durent plusieurs semaines, jour et nuit !

Recherche internationale

Le projet est une coopération de nombreuses institutions de différents pays, dont les compétences se trouvent dans les domaines de la physique des accélérateurs, de la physique atomique, de la technologie des lasers et dans le développement de nouveaux détecteurs. Les plus importantes sont:

• Institut Paul Scherrer PSI, Villigen, Suisse
• Institut de physique des particules, École polytechnique fédérale EPF de Zurich, Suisse
• Institut Max-Planck d'optique quantique, Garching près de Munich, Allemagne
• Laboratoire Kastler Brossel, Paris, France
• Departamento de Física, Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal
• Institut d'outils de rayonnement, université de Stuttgart, Stuttgart, Allemagne
• Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart, Allemagne
• Département de physique, université de Fribourg, Fribourg, Suisse

Texte : Paul Piwnicki

A propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté des chercheurs suisses et internationaux. Les thèmes principaux des recherches qui y sont menées en interne sont la physique sur les solides et les sciences des matériaux, la physique des particules élémentaires, la biologie et la médecine, la recherche énergétique et environnementale. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel de 260 millions de CHF environ, c'est le principal institut de recherche suisse.