Problème de la taille du proton

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Le problème de la taille du proton est un problème de la physique nucléaire. Il concerne le rayon de charge du proton, pour lequel des méthodes différentes donnent deux groupes non compatibles de valeurs, autour de 0,84 et 0,88 femtomètre.

Mis en évidence en 2010, ce problème est résolu[1],[2] en 2019 par une expérience[3] d'interférométrie de Ramsey (en) dont la durée a été de 8 années, aboutie en , par une équipe de chercheurs de l'université de York, à Toronto, au Canada, conduite par Eric Hessels (en) et son équipe. Finalement, les deux méthodes (hydrogène muonique et classique) donnent des résultats compatibles, mais donnant une valeur numérique légèrement plus petite que les valeurs anciennement admises.

Historique[modifier | modifier le code]

Mesures récentes du rayon de charge de l'hydrogène[4],[5]
Année Méthode Valeur basse (fm) Valeur haute (fm)
2010 Diffusion e/p 0,879 ± 0,006
2010 Bilan de CODATA 0,877 ± 0,007
2010 Transition µ 2S→2P 0,841 84 ± 0,000 67
2013 Transition µ 2S→2P 0,840 87 ± 0,000 39
2014 Bilan de CODATA 0,875 1 ± 0,006 1
2017 Transition e 2S→4P 0,833 5 ± 0,009 5
2018 Transition e 1S→3S 0,877 ± 0,010
2018 Bilan de CODATA[6] 0,841 4 ± 0,001 9
2019 Transition e 2S→2P 0,833 ± 0,010
2019 Diffusion e/p 0,831 ± 0,012

Pendant des décennies, le rayon de charge du proton était considéré comme connu, deux méthodes différentes donnant des résultats compatibles, l'une par mesure des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène et l'autre par diffusion des électrons (en)[7]. Le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) officialise en 2010 la valeur 0,877 ± 0,007 fm[8].

En 2010, une équipe de chercheurs conduite par l'Allemand Randolf Pohl (de) à l'Institut Paul Scherrer annonce une nouvelle mesure basée sur un atome d'hydrogène muonique, c'est-à-dire un atome exotique où l'électron du protium a été remplacé par un muon[9]. Alors qu'ils cherchaient à affiner la valeur déjà connue avec une plus grande précision[7], les chercheurs publient dans Nature un résultat incompatible avec les précédentes mesures[10],[11]. La valeur qu'ils trouvent, 0,841 84 ± 0,000 67 fm, est inférieure de 4 % à la valeur admise jusque là, ce qui dépasse très largement les incertitudes de mesure. Une nouvelle expérience réalisée en 2013 parvient à 0,840 87 ± 0,000 39 fm, ce qui est en adéquation avec les résultats précédents, sans apporter d’explication à l’écart avec la valeur recommandée par le CODATA[12],[13].

En 2019, deux équipes différentes annoncent de nouvelles valeurs : 0,833 ± 0,010 fm[4] et 0,831 ± 0,012 fm[14], encore des valeurs basses.

Cas du deutérium[modifier | modifier le code]

Le rayon de charge du deuton, noyau du deutérium composé d’un proton et d’un neutron a été mesuré en 2016. Comme pour le protium muonique, un atome exotique de deutérium, pour lequel son électron a été remplacé par un muon, a été utilisé pour réaliser la mesure. Les résultats indiquent également que le rayon du deuton est significativement plus petit que la valeur recommandée par le CODATA pour cette grandeur[15],[16].

Interprétation des résultats[modifier | modifier le code]

Au moment de la publication des résultats sur le deutérium en août 2016, l’incompatibilité entre les mesures n’était pas expliquée par les chercheurs. Une des pistes explorées était une erreur dans l’estimation de la constante de Rydberg de l'atome d'hydrogène, mais elle a été mesurée avec précision dans d'autres expériences[15].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Nathalie Mayer, « Le proton est plus petit que prévu, c'est confirmé », sur Futura Science, (consulté le 10 janvier 2020)
  2. Jean-Baptiste Veyrieras, « Physique : le proton est petit... et normal - Science & Vie », sur www.science-et-vie.com, (consulté le 10 janvier 2020)
  3. (en) Natalie Wolchover, « Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies », sur Quanta Magazine (consulté le 10 janvier 2020)
  4. a et b (en) N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, A. C. Vutha et E. A. Hessels, « A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius », Science, vol. 365, no 6457,‎ , p. 1007-1012 (DOI 10.1126/science.aau7807).
  5. (en) « p charge radius » (consulté le 7 novembre 2019).
  6. (en) « proton rms charge radius », sur NIST (consulté le 7 novembre 2019).
  7. a et b « Le cas du proton qui rapetisse », sur Perimeter Institute for Theoretical Physics, (consulté le 29 août 2016)
  8. « Quelle est la taille du proton ? », sur CNRS, (consulté le 29 août 2016)
  9. Sylvestre Huet, « La taille du proton trouble la physique », sur Liberation.fr, (consulté le 29 août 2016)
  10. (en) Geoff Brumfiel, « The proton shrinks in size », Nature News, Nature Publishing Group,‎ (DOI doi:10.1038/news.2010.337, lire en ligne)
  11. (en) Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben et al., « The size of the proton », Nature, vol. 466,‎ , p. 213-216 (DOI 10.1038/nature09250).
  12. « Une nouvelle énigme du proton », (consulté le 30 août 2016)
  13. (en) Aldo Antognini et al., « Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen », Science, vol. 339, no 6118,‎ , p. 417-420 (DOI 10.1126/science.1230016)
  14. (en) W. Xiong, A. Gasparian, H. Gao, D. Dutta, M. Khandaker et al., « A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment », Nature, vol. 575,‎ , p. 147-150 (DOI 10.1038/s41586-019-1721-2).
  15. a et b (en) Aviva Rutkin, « How big is a proton? No one knows exactly, and that’s a problem », sur New Scientist, (consulté le 29 août 2016)
  16. Pohl 2016

Bibliographie[modifier | modifier le code]