Depuis plus de dix ans, les physiciens sont confrontés à une situation déconcertante: la taille du proton, noyau de l'atome d'hydrogène, n'est pas identique selon la technique de mesure employée. Ce problème est baptisé l'énigme du rayon du proton.
Les expériences utilisant des électrons donnaient un rayon légèrement plus grand que celles employant des muons, des particules plus lourdes. Un tel désaccord pourrait signaler une faille dans le Modèle standard, la théorie qui décrit les particules élémentaires. Il fallait donc une mesure plus fiable et plus précise pour trancher.
Lumière laser ultraviolette sondant l'hydrogène atomique lors de l'expérience.
Crédit: Ben Ward/Colorado State University for the College of Natural Sciences
C'est ainsi qu'une équipe de l'université d'État du Colorado a relevé le challenge avec une technique de spectroscopie laser d'une précision inégalée. Leur résultat place le rayon du proton à environ 0,84 femtomètre, une valeur très proche des prédictions du Modèle standard. Cette mesure semble mettre fin à la controverse.
Dylan Yost, professeur associé, explique que ce résultat élimine la possibilité qu'une nouvelle force ou particule soit responsable de l'écart précédent. Selon lui, la coïncidence avec la théorie renforce la confiance dans le Modèle standard, même si des surprises pourraient encore venir d'ailleurs.
Pour atteindre cette précision, l'équipe a développé une méthode inédite utilisant deux faisceaux laser simultanément. L'étudiant Ryan Bullis, premier auteur de l'étude, précise que les atomes d'hydrogène se déplacent très vite et interagissent peu avec le laser, ce qui rend les signaux difficiles à capter. La double impulsion laser a permis d'affiner la mesure.
Un dispositif servant à séparer l'hydrogène moléculaire en hydrogène atomique avant l'analyse.
Crédit: Ben Ward/Colorado State University
Ces travaux illustrent comment des expériences en laboratoire peuvent compléter les grands accélérateurs de particules. Dylan Yost compare leur approche à un voyant de moteur qui s'allume: elle indique où chercher d'éventuelles anomalies. Les deux types d'expériences sont nécessaires pour sonder le Modèle standard et découvrir une éventuelle nouvelle physique.
Fort de ces résultats, l'équipe compte appliquer la même technique à d'autres atomes, comme le deutérium. Dylan Yost se dit satisfait que l'hydrogène se comporte comme prévu, mais il rappelle que de futures expériences permettront certainement d'être encore plus précis. La quête de la physique fondamentale continue, entre théorie et expérience.
La spectroscopie laser des atomes
La spectroscopie laser est une technique qui utilise la lumière laser pour sonder la structure des atomes. En modifiant la fréquence du laser, on peut amener les électrons à sauter d'un niveau d'énergie à un autre. Ces transitions sont très sensibles aux propriétés du noyau atomique, comme sa taille.
Dans l'expérience de l'équipe du Colorado, les chercheurs ont créé un faisceau d'atomes d'hydrogène dans une chambre à vide. En bombardant ces atomes avec des lasers ultraviolets de fréquences précises, ils ont pu mesurer avec une grande exactitude l'énergie nécessaire pour exciter les électrons.
Pour déduire le rayon du proton, les chercheurs ont ensuite comparé ces mesures à des calculs théoriques. La difficulté résidait dans le fait que les atomes se déplacent rapidement, ce qui réduit le temps d'interaction avec le laser. La solution a été d'utiliser deux faisceaux laser simultanément pour augmenter la précision.