Une équipe internationale de physiciens d’Allemagne et du Japon a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse atomique du proton. Le résultat est un facteur trois plus précis par rapport à la valeur actuelle de la littérature, mais décalé d’environ trois écarts-types.
Le proton est une particule subatomique présente dans le noyau de chaque atome. Cette impression d’artiste montre un proton et un neutron. Crédit photo : Joanna Griffin / Jefferson Lab / Penn State.
“Le proton est le noyau de l’atome d’hydrogène et l’un des éléments de base de tous les autres noyaux atomiques”, ont déclaré les chercheurs.
“La masse du proton est un paramètre important en physique atomique – c’est l’un des facteurs qui affectent la façon dont les électrons se déplacent autour du noyau atomique. Cela se reflète dans les spectres, c’est-à-dire les couleurs (longueurs d’onde) de la lumière que les atomes peuvent absorber et réémettre.”
“En comparant ces longueurs d’onde aux prédictions théoriques, il est possible de tester les théories physiques fondamentales.”
“En outre, des comparaisons précises des masses du proton et de l’antiproton peuvent aider à la recherche de la différence cruciale entre la matière et l’antimatière.”
Pour déterminer plus précisément la masse d’un seul proton, les physiciens ont effectué la mesure d’une précision exquise dans un système avancé de piège de Penning.
Les pièges de Penning ont fait leurs preuves en tant que “balances” pour les ions”, expliquent-ils. “Dans un tel piège, il est possible de confiner, presque indéfiniment, des particules chargées uniques comme un proton, par exemple, au moyen de champs électriques et magnétiques.”
“A l’intérieur du piège, la particule piégée effectue un mouvement périodique caractéristique à une certaine fréquence d’oscillation.”
“Cette fréquence peut être mesurée et la masse de la particule calculée à partir de celle-ci. Afin d’atteindre la haute précision visée, une technique de mesure élaborée a été nécessaire. “
L’isotope du carbone 12C dont la masse est de 12 unités de masse atomique est défini comme l’étalon de masse des atomes.
“Nous l’avons directement utilisé pour la comparaison”, a déclaré le Dr Sven Sturm, membre de l’équipe, du Max-Planck-Institut für Kernphysik à Heidelberg, en Allemagne.
“Nous avons d’abord stocké chacun un proton et un ion carbone (12C6+) dans des compartiments séparés de notre appareil à piège de Penning, puis transporté chacun des deux ions dans le compartiment de mesure central et mesuré son mouvement.”
Comparaison du nouveau résultat avec les valeurs précédentes de la masse atomique du proton. Crédit image : Heisse et al., doi : 10.1103/PhysRevLett.119.033001.
A partir du rapport des deux valeurs mesurées, l’équipe a obtenu directement la masse du proton en unités atomiques.
Le compartiment de mesure était équipé d’un système électronique spécialement conçu à cet effet.
“Cela nous a permis de mesurer le proton dans des conditions identiques à celles de l’ion carbone, malgré sa masse environ 12 fois plus faible et sa charge 6 fois plus petite”, a déclaré le Dr Andreas Mooser, membre de l’équipe, du laboratoire des symétries fondamentales de RIKEN, au Japon.
La masse du proton qui en résulte – 1,007276466583(15)(29) unités de masse atomique. – est trois fois plus précise que la valeur actuellement acceptée.
Les deux nombres indiqués entre parenthèses sont les incertitudes statistique et systématique de la mesure, respectivement.
“Avec une précision de 32 parties par trillion, notre résultat améliore non seulement d’un facteur trois la valeur actuelle de la littérature du CODATA (le Comité sur les données pour la science et la technologie), mais il est également en désaccord avec elle à un niveau d’environ 3 écarts types”, ont déclaré les chercheurs.
Les mesures effectuées par d’autres auteurs ont donné lieu à des divergences en ce qui concerne la masse de l’atome de tritium, l’isotope le plus lourd de l’hydrogène (T), et la masse de l’hélium léger (3He) par rapport à la molécule d’hydrogène “semi-lourd” HD.
“Notre résultat contribue à résoudre cette énigme, car il corrige la masse du proton dans la bonne direction”, a déclaré le Dr Klaus Blaum, membre de l’équipe, également du Max-Planck-Institut für Kernphysik.
La recherche est publiée dans le journal Physical Review Letters (arXiv.orgpréimpression).
