Vue d'une partie du système de lasers nécessaire pour réaliser l'expérience de la détermination du rayon du deutéron, le noyau du deutérium. À cet endroit, la lumière invisible du laser infrarouge est convertie en un laser de lumière verte. © Institut Paul Scherrer, A. Antognini et F. Reiser

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La taille du proton défie la physique du modèle standard

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Depuis les années 1960, les physiciens savent que le proton et le neutron sont des distributions étendues de charge dont le rayon est mesurable à l'aide de faisceaux d'électrons. Deux expériences différentes, avec des atomes muoniques, ont donné des désaccords si sérieux avec les expériences en accélérateurs que certains se demandent s'il ne faudrait pas remettre en cause la physique moderne, ou pour le moins certains calculs. L'une de ces expériences a été réalisée avec le proton en 2010, l'autre avec le noyau de deutérium cette année.

En 1961, il était devenu clair que neutrons et protons ne sont pas des particules ponctuelles. Après les avoir bombardés, des faisceaux d'électrons sont en effet diffractés d'une manière impliquant que ces nucléons sont constitués par une distribution étendue de charge électrique. Cette même année,

Robert Hofstadter reçut le prix Nobel de Physique pour ses contributions à la démonstration de l'existence de ces structures.

À la fin des années 1960 et au début des années 1970, d'autres expériences du même type précisèrent la nature des distributions de charges dans les nucléons en montrant qu'il y existait bel et bien des particules apparaissant comme ponctuelles et portant des charges fractionnaires : les quarks de Gell-Mann, Ne’eman et Zweig. Un autre prix Nobel fut attribué aux chercheurs ayant joué un rôle majeur dans ces découvertes, Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall et Richard E. Taylor.

L'électrodynamique quantique relativiste, la théorie employée pour décrire les expériences de diffusion de faisceaux d'électrons sur les protons, est considérée comme la théorie la plus précise dont nous disposions. Elle permet de calculer certaines grandeurs physiques avec une précision en accord avec l'expérience dépassant le millionième. Cependant, dans le cas du diamètre du rayon du proton, la précision n'est que de 1 à 2 % et celle utilisée par les physiciens est de 0,877 femtomètre à +/- 0,007 (1 femtomètre = 10-15 mètre).

Murray Gell-Mann en visite au Cern en janvier 2013. Le prix Nobel de physique se tient devant le détecteur Atlas. C'est l'un des principaux architectes du modèle standard des particules élémentaires notamment parce qu'il a prédit la structure en quark des hadrons. Ses travaux portent aussi sur la cosmologie quantique, et il est à l'origine de l'institut de Santa Fe (Santa Fe Institute, ou SFI), un institut de recherche spécialisé dans l'étude des systèmes complexes. © Maximilien Brice, Cern

Les atomes muoniques

Certaines grandes découvertes ont résulté d'un gain dans la précision des mesures et mieux connaître le rayon du proton peut permettre de réduire les imprécisions dans l'évaluation d'autres grandeurs physiques. Dès les années 1970, des physiciens avaient proposé une expérience pour effectuer une telle mesure, mais la technologie de l'époque ne permettait pas d'atteindre la précision requise.

L'idée était la suivante. On sait qu'il existe des cousins de l'électron qui sont plus lourds et se désintègrent rapidement. C'est le cas du muon, dont la masse est d'environ 207 fois celle de l'électron et qui ne vit que deux millionièmes de seconde en moyenne. Il est possible de remplacer l'électron d'un atome d'hydrogène par un muon. On parle alors d'hydrogène muonique. Contrairement aux atomes de Rydberg qui possèdent un électron sur une orbite bien plus grande que dans un atome d'hydrogène normal, un atome muonique est plus petit. À cause de sa masse, le muon a en effet une orbite quantique environ 207 fois plus proche du proton.

À cette distance, le fait que le proton ne soit pas une charge ponctuelle se fait sentir bien plus fortement et des niveaux d'énergies nouveaux apparaissent, donnant naissance à ce que l'on appelle une structure fine pour le spectre d'un atome. En soi, ce phénomène n'est pas vraiment nouveau. Dans l'atome d'hydrogène normal, se manifestent aussi des structures dites fines et hyperfines. Ainsi, en l'absence de la prise en compte des fluctuations quantiques du vide, une raie spectrale de l'hydrogène calculée à partir de l'équation de Dirac s'était révélée être divisée en deux niveaux d'énergie très proches l'un de l'autre, comme l'avait mesuré en 1947 le physicien Willis Lamb (il décrochera lui aussi le prix Nobel pour cette découverte).

Laser développé par les chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB). Il permet de déterminer la fréquence de la lumière qui va exciter l'hydrogène muonique. © CREMA collaboration

0,8418 femtomètre, c'est bien peu...

Ce déplacement de Lamb 2S-2P entre les niveaux d'énergie se retrouve dans un atome muonique et on peut contraindre un muon à effectuer une transition entre ces deux niveaux sous l'effet d'un faisceau laser bien ajusté opérant dans l'infrarouge. Un tel laser a précisément été conçu, notamment avec l'aide des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB).

En mesurant des photons indirectement associés à cette transition, il est possible d'en déduire l'influence de la distribution de charge du proton sur les caractéristiques du déplacement de Lamb et surtout d'en déduire le rayon du proton avec une précision de 0,1 %.

La tâche est difficile car il ne faut pas seulement produire un nombre suffisant d'atomes d'hydrogène muonique. Les impulsions laser doivent être générées durant une durée très faible, plus courte que le temps de vie des muons dans les atomes.

Pour obtenir les précieux atomes muoniques, les chercheurs du LKB ont profité de l'accélérateur de l'institut Paul Scherrer (PSI), en Suisse, offrant un faisceau de muons particulièrement intense. En bombardant ainsi des atomes d'hydrogène dans une molécule, on peut obtenir des atomes muoniques.

Une vidéo montrant le déroulement de l'expérience de mesure du rayon du proton avec des atomes muoniques. © Institut Paul Scherrer (PSI)

Il a fallu des années pour conduire à bien l'expérience. La peine a été récompensée... par une grosse surprise. Alors que les expériences avec des électrons donnent un rayon de 0,877 femtomètre (à +/- 0,007), l'expérience au PSI conduit à une valeur de 0,8418 femtomètre (à +/- 0,0007) ! Ces deux valeurs, si différentes, ne sont pas, dans l'état, conciliables, même en tenant compte des incertitudes de mesures.

Ce résultat, publié dans Nature en mars 2010, est particulièrement dérangeant, à tel point que certains n'hésitent pas à poser la question : sommes-nous si sûrs de l'électrodynamique quantique ? Il se pourrait aussi qu'une erreur subtile se soit introduite dans les calculs, ou même qu'intervienne de la nouvelle physique, comme de la supersymétrie. Pour tenter d'y voir plus clair, les chercheurs se proposaient alorsde reproduire l'expérience avec de l'hélium muonique.

C'est finalement avec des atomes muoniques formés par des noyaux de deutérium que l'expérience a été réalisée, comme l'explique un article paru en 2016 dans le journal Science. Entre-temps, personne n'a trouvé de défaut dans les expériences précédemment réalisées.

Comme on peut le voir dans un nouveau communiqué de l'institut Paul Scherrer, l'énigme persiste. Les mesures du rayon du deutéron, le noyau du deutérium, lui donnent, là encore, une valeur plus petite que celle obtenue avec les faisceaux d'électrons. Une nouvelle physique peut être invoquée mais personne ne sait laquelle.