Le proton -constituant fondamental, avec le neutron, du noyau des atomes- est plus petit qu’on ne le pensait jusqu’ici et ce fait bouscule les fondements mêmes de la physique. C’est ce que viennent de montrer les expériences menées par une équipe de recherche internationale à l’Institut Paul Scherrer (PSI), à Villigen, en Suisse, en collaboration avec des centres de recherche allemands, français et portugais.
Le 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, soit plus d’une douzaine de décimales. Cette constante intervient dans la formulation de plusieurs autres constantes fondamentales.
Définir les corrections à apporter à la théorie quantique ou à la constante de Rydberg va représenter un immense défi pour les physiciens, selon le PSI.
Pour leur expérience, les chercheurs ont généré des « atomes exotiques » dans lesquels un muon chargé négativement, en lieu et place d’un électron, gravite autour d’un proton. Le muon est très semblable à l’électron mais il 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.
Les propriétés de cette trajectoire ont été déterminées à l’aide d’un laser infra-rouge spécialement conçu 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 celuici disparaît lorsque le muon se désintègre.
Ces expériences ne pouvaient être réalisées qu’au PSI car c’est le seul laboratoire disposant d’un faisceau de muons d’une intensité suffisante. Les résultats sont publiés dans la dernière édition de la revue « Nature ».
« Nous n’aurions pas pensé qu’il puisse y avoir des divergences entre les valeurs connues et nos mesures », a déclaré Franz Kottmann, l’un des chercheurs. Cependant, le résultat différait nettement de la valeur déjà connue pour le rayon des protons: 0,84184 femtomètre (1 femtomètre 10 puissance moins 15 mètre ou un millième de milliardième de millimètre) au lieu de 0,8768 femtomètre, différence beaucoup trop importante pour provenir des imprécisions de mesure.
« Soit la théorie la plus précise de la physique, la théorie quantique de l’électromagnétisme, 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. »
« Tous les appareils ont dû être conçus et construits en partant de rien, si bien qu’il s’est écoulé dix ans environ entre le début de l’expérience et le résultat », souligne Franz Kottmann. « D’ailleurs, l’idée de cette expérience avait été lancée il y a 30 ans déjà au PSI. Cependant, à l’époque, nous n’avions pas les possibilités techniques de la réaliser. »
La recherche sur le diamètre du proton est le fruit de la coopération de nombreuses institutions dont les compétences sont diverses. Les plus importantes sont l’Institut Paul Scherrer (PSI), à Villigen, l’Institut de physique des particules de l’EPF de Zurich, l’Institut Max-Planck d’optique quantique, à Garching près de Munich, le Laboratoire Kastler-Brossel, à Paris, le département de physique de l’Université de Coimbra, au Portugal, l’Institut d’outils de rayonnement de l’université de Stuttgart, la société Dausinger & Giesen GmbH de Stuttgart, et le Département de physique de l’université de Fribourg.
