02.07.2010
Le proton est plus petit que ce que l'on pensait
Le proton - un des composants fondamentaux de la matière - est plus petit que ce que l’on supposait jusqu’ici. C’est ce que viennent de montrer les expériences menées à l’Institut Paul Scherrer PSI, à Villigen, par une équipe de recherche internationale avec participation du Département de Physique de l'Université de Fribourg. Ce résultat impose de corriger soit la théorie quantique de l'interaction entre la lumière et la matière, soit la constante de Rydberg, qui sont respectivement la théorie physique la plus précise et la constante physique déterminée avec le plus de précision. Définir quelles sont les corrections à apporter à l’une ou à l’autre représente un immense défi pour les physiciens.
Pour leur expérience, les chercheurs ont généré des «atomes exotiques» dans lesquels un muon chargé négativement gravite autour d'un proton, au lieu d'avoir le cas usuel d'un électron gravitant autour de ce même proton. Le muon est très semblable à l'électron mais est 200 fois plus lourd. Ainsi, la trajectoire sur laquelle le muon évolue autour du proton aura un rayon 200 fois plus petit que celle d’un électron. Les propriétés de la trajectoire des muons dépendent donc plus fortement de la taille du proton. A l’aide d’un laser spécialement conçu à cet effet, les chercheurs ont pu mesurer la trajectoire des muons et déterminer à partir de là le rayon du proton. Ces expériences ne pouvaient être réalisées qu’au PSI car c’est le seul endroit au monde où il est possible de générer un faisceau de muons d’une intensité suffisante. Les chercheurs présentent leurs résultats dans un article publié dans la dernière édition du magazine scientifique Nature.
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 infrarouge 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.
Vue d'une partie du système complexe de lasers nécessaire pour l'expérience de la détermination du rayon du proton. A cet endroit, la lumière invisible du laser infrarouge est convertie en un laser de lumière verte.
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 diffère 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 !
La complexité du projet était assez importante pour permettre à plusieurs étudiants d'effectuer leurs thèses de doctorat sur une partie spécifique de l'ensemble de l'expérience. A ce jour, quatre étudiants ont obtenu leur doctorat. L'université de Fribourg était en charge du développement du système d'acquisition, en collaboration avec le PSI et des détecteurs de rayons-x utilisés, en collaboration avec l'université de Coimbra, au Portugal.
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.
A propos de l'université de Fribourg:
Le département de physique de l'université de Fribourg a collaboré officiellement dans la mesure du rayon de charge du proton depuis le début jusqu'en 2003, lorsque le professeur (Prof. L. Schaller) en charge du groupe des énergies moyennes (ME-Group) est formellement parti à la retraite. Grâce à un support partiel du fonds national pour la recherche scientifique (SNF), la doctorante de Fribourg (L. Ludhova) a terminée sa thèse sur cette expérience en 2005. L. Ludhova et les chercheurs post-doctorat du groupe (F. Mulhauser et P. Knowles), ont continué ensemble leur engagement dans l'expérience jusqu'au succès obtenu l'année passée.
Contacts :
Dr Franz Kottmann, institut de physique des particules, EPF de Zurich, et laboratoire de physique des particules, Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI
E-mail: franz.kottmann@psi.ch, téléphone: +41 (0)56 310 3502 [allemand, anglais]
Dr Aldo Antognini, institut Max-Planck d’optique quantique et laboratoire de physique des particules, Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI
E-mail: aldo.antognini@psi.ch, téléphone: +41 (0)79 709 71 32, +41 (0)56 310 4614 ou +41 (0)44 633 30 76 [allemand, italien, anglais]
Dr Paul Knowles, Département de Physique, Université de Fribourg, Ch. du Musée 3, CH-1700 Fribourg, E-mail: Paul.Knowles@unifr.ch, téléphone: +41 (0)26 300 9064 [français, anglais]
Photos et Video
Le PSI met à la disposition des photos des membres de l'équipe de recherche ainsi que l'un des lasers. Une vidéo, en qualité de télévision, retraçant l'expérience peut être obtenue sur demande.
Photos: http://www.psi.ch/media/fotos-protonenradius
Vidéo: http://www.psi.ch/media/filme-protonenradius
Pour toute information supplémentaire, veuillez contacter Paul Piwnicki: paul.piwnicki@psi.ch; Tel: +41 (0)56 310 29 40.
Publication originale :
The size of the proton, Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, José A. M. Lopes, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, Livia Ludhova, Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz, Joaquim M. F. dos Santos, Lukas A. Schaller, Karsten Schuhmann, Catherine Schwob, David Taqqu, João F. C. A. Veloso & Franz Kottmann, Nature, 466, July 2010.