Le deutéron plus petit que prévu

Un deutéron est un noyau atomique très simple. Il ne se compose que d'un proton et d'un neutron, c'est-à-dire de l'un des deux éléments constitutifs des noyaux atomiques. Une coopération internationale de chercheurs a mesuré le deutéron à l'Institut Paul Scherrer (PSI) avec plus de précision que jamais auparavant. Le rayon du deutéron qu'ils ont obtenu ne co?ncide toutefois pas avec les valeurs obtenues par d'autres groupes de recherche, mais est nettement plus petit.

Malgré cette contradiction, il y a aussi une concordance : en 2010 déjà, le même groupe de recherche avait mesuré des protons individuels avec la même méthode et, à l'époque aussi, il s'est avéré que le proton était plus petit qu'on ne le pensait. Une autre évaluation de page externeDonnées sur les protons du PSI a confirmé en 2013 la valeur obtenue.

Le deutéron est donc lui aussi plus petit que prévu. "Plus personne dans la communauté ne croit que notre méthode, la spectroscopie laser, est défectueuse", constate Aldo Antognini, physicien des particules à l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer (page externePSI), est claire. Et son partenaire de recherche Randolf Pohl, qui fait depuis des recherches à l'université de Mayence, ajoute : "Après la sortie de notre première étude en 2010, je craignais que quelqu'un ne nous signale une grossière erreur. Mais les années ont passé et rien de tel ne s'est produit jusqu'à présent. Et maintenant, la nouvelle étude - la mesure du deutéron - confirme également l'énigme du rayon du proton".

Outre les scientifiques du PSI, des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'Institut Max Planck d'optique quantique (Allemagne), des chercheurs de Paris, Coimbra (Portugal), Stuttgart, Fribourg (Suisse) et Hsinchu (Ta?wan) ont participé de manière déterminante à cette étude.

De nouvelles expériences stimulées

Les nouveaux résultats de recherche peuvent servir dans la recherche de la vérité. "Bien s?r, il n'est pas possible que le deutéron - pas plus que le proton - ait deux tailles différentes", souligne Antognini. Les scientifiques cherchent donc des explications pour réconcilier les différentes valeurs.

Une explication possible est qu'une force physique encore inconnue est à l'?uvre. C'est un scénario excitant pour les scientifiques, mais il est très peu probable. L'explication la plus évidente est une imprécision expérimentale. "En fait, l'énigme pourrait être facilement résolue si nous partions d'un problème expérimental minime dans la spectroscopie de l'hydrogène", explique Antognini. Une partie des mesures antérieures de la taille des protons et des deutons repose sur cette méthode.

Une autre méthode de détermination de la taille des protons et des deutons utilise la diffusion des électrons. La taille du deutéron mesurée à l'aide de la diffusion des électrons est effectivement compatible avec la nouvelle valeur du groupe de recherche du PSI, mais elle est comparativement imprécise.

Pour percer l'énigme du rayon du proton, plusieurs groupes de recherche utilisant la spectroscopie d'hydrogène ou la diffusion des électrons ont mis à niveau leurs expériences il y a plusieurs années afin d'améliorer la précision. Antognini et Pohl en sont fiers : "Si notre valeur avait correspondu aux précédentes, il n'y aurait certes pas eu cette énigme autour du rayon du proton ; mais il n'y aurait jamais eu non plus cette vague qui a entre-temps conduit à plusieurs installations de mesure de haute précision dans le monde entier", déclare Pohl. Actuellement, des groupes de recherche à Munich, Paris et Toronto sont en train de déterminer des valeurs plus précises via la spectroscopie d'hydrogène. Leurs résultats sont attendus pour les années à venir.

Adaptation de la constante de Rydberg ?

S'il s'avère que la spectroscopie d'hydrogène fournit une valeur décalée au minimum, cela signifierait que la constante de Rydberg doit être modifiée, explique Antognini. La constante de Rydberg et le rayon du proton sont des grandeurs étroitement liées. De plus, parmi toutes les constantes physiques, la constante de Rydberg est celle qui a été déterminée avec la plus grande précision jusqu'à présent : Même sa onzième décimale est connue. Néanmoins, gr?ce à l'énigme du rayon du proton, les derniers chiffres après la virgule pourraient encore changer. Cela aurait des conséquences pour de nombreux domaines de la physique et conduirait à des corrections d'autres constantes naturelles.

La source de muons la plus puissante au monde

Au PSI, les chercheurs ont déterminé la taille du deutéron en produisant d'abord des atomes artificiels : le deutérium myonique. Ces atomes ont pour noyau un deutéron entouré d'un muon.

La source de muons du PSI est la plus puissante de son genre au monde. Gr?ce à elle, il a été possible de faire entrer environ 300 muons par seconde dans la chambre d'expérimentation. Ils y ont rencontré du deutérium gazeux, ont éjecté ses électrons et ont pris leur place. Il en a résulté des atomes de deutérium muonique.

Les muons sont des particules élémentaires chargées négativement. Ils ressemblent aux électrons, mais sont environ 200 fois plus lourds que ces derniers. En raison de cette masse plus élevée, les muons se déplacent beaucoup plus près du noyau atomique et les propriétés de leurs trajectoires dépendent davantage de la taille de ce noyau.

Ce texte est basé sur une page externeCommuniqué de presse de l'Institut Paul Scherrer.