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Nous savons enfin combien mesure précisément un proton

Crédits : Jefferson Lab

Une nouvelle méthode de mesure suggère que le proton, une particule subatomique essentielle dans l’Univers, est plus petit qu’on ne le pensait.

Toute la matière visible dans l’Univers est construite à partir de trois quarks liés ensemble par l’une des quatre forces de la nature : l’interaction forte. Ensemble, ces quarks forment un proton, qui lui-même forme l’un des trois composants centraux des atomes. Cette particule a fait l’objet de nombreuses recherches, mais un doute persistait quant à la mesure de son rayon de charge (sa taille).

Cette mesure est en effet très difficile puisque ni les atomes ni leurs noyaux n’ont de limites bien définies. Il y a encore quelques années, on mesurait le rayon du proton grâce à deux méthodes.

Des mesures contradictoires

Une première expérience visait à projeter des électrons sur les protons. Le rayon de charge du proton était alors déterminé par le changement de trajectoire des électrons après l’impact. La seconde méthode, appelée décalage de Lamb, visait à calculer la valeur en fonction de la différence entre deux niveaux d’énergie dans un atome d’hydrogène constitué d’un seul proton et d’un électron (rappelez-vous que les électrons préfèrent certains endroits autour d’un atome, appelés niveaux d’énergie).

Jusqu’à présent, ces deux méthodes avaient donné un rayon d’environ 0,877 femtomètres. (1 femtomètre = 10 puissance -15 mètres).

En 2010, pour gagner en précision, des chercheurs ont décidé d’utiliser pour leur mesure un atome d’hydrogène au sein duquel l’électron avait été remplacé par un muon. Cette particule élémentaire étant 200 fois plus lourde que l’électron, elle devait normalement évoluer aussi 200 fois plus près du proton. De quoi mieux cerner sa taille de ce dernier. Mais les chercheurs ont alors trouvé une mesure différente.

Depuis, on ne sait donc pas trop sur quel pied danser.

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Avec les nucléons et les neutrons, les protons constituent les noyaux d’atomes. Crédits : Pixabay

Le proton plus petit qu’on ne le pensait

Mais une nouvelle technique, développée depuis 2012, nous donne aujourd’hui une autre mesure, plus précise. Pour la calculer, des chercheurs de l’Université York, au Canada, se sont de nouveau appuyés sur l’hydrogène classique, dont l’atome est constitué d’un proton et d’un électron. Mais ils ont grosso modo mis en place un nouveau protocole plus précis et réduisant les marges d’erreur.

Avec cette nouvelle technique, les chercheurs sont arrivés à une valeur du rayon de charge de 0,833 femtomètre. Soit environ 5 % de moins que la valeur initialement retenue.

« Après huit ans de travail sur cette expérience, nous sommes ravis d’enregistrer une mesure aussi précise qui aide à résoudre le puzzle de l’insaisissable rayon du proton, a déclaré Eric Hessels, principal acteur de ces recherches. C’est la mesure la plus compliquée que nous ayons jamais tentée dans notre laboratoire ».

Les chercheurs envisagent maintenant de poursuivre ces recherches dans le but d’obtenir des mesures de précision encore plus élevées. Ils pensent notamment au rayon du deutéron, le noyau du deutérium.

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