Le proton (rouge) a un rayon de 0,84 femtomètre (fm). La figure montre également les trois quarks qui composent le proton et les gluons qui les maintiennent ensemble. Crédit : Dr. Yong-Hui Lin/Université de Bonn
Une étude de l’Université de Bonn et de la TU Darmstadt suggère des erreurs dans l’interprétation des anciennes mesures.
Il y a quelques années, une nouvelle technique de mesure a montré que les protons sont probablement plus petits que ce qui était supposé depuis les années 1990. La divergence a surpris la communauté scientifique ; certains chercheurs ont même pensé que le modèle standard de la physique des particules devait être modifié. Des physiciens de l’université de Bonn et de l’université technique de Darmstadt ont maintenant mis au point une méthode qui leur permet d’analyser les résultats d’expériences anciennes et plus récentes de manière beaucoup plus complète qu’auparavant. Cette méthode permet également d’obtenir un rayon de proton plus petit à partir des données plus anciennes. Il n’y a donc probablement aucune différence entre les valeurs – quelle que soit la méthode de mesure sur laquelle elles sont basées. L’étude a été publiée dans Physical Review Letters.
Notre chaise de bureau, l’air que nous respirons, les étoiles dans le ciel nocturne : ils sont tous constitués d’atomes, eux-mêmes composés d’électrons, de protons et de neutrons. Les électrons sont chargés négativement ; selon les connaissances actuelles, ils n’ont pas d’expansion, mais sont ponctuels. Les protons, chargés positivement, sont différents : selon les mesures actuelles, leur rayon est de 0,84 femtomètre (un femtomètre est un quadrillionième de mètre).
Jusqu’à il y a quelques années, on pensait que leur rayon était de 0,88 femtomètre, une différence minuscule qui a suscité l’émoi des experts. Car elle n’était pas si facile à expliquer. Certains experts considéraient même que c’était une indication que le modèle standard de la physique des particules était erroné et devait être modifié. “Cependant, nos analyses indiquent que cette différence entre les anciennes et les nouvelles valeurs mesurées n’existe pas du tout”, explique le professeur Ulf Meißner de l’Institut Helmholtz de physique des rayonnements et de physique nucléaire de l’Université de Bonn. “Au contraire, les anciennes valeurs étaient soumises à une erreur systématique qui a été considérablement sous-estimée jusqu’à présent.”
Jouer au billard dans le cosmos des particules
Pour déterminer le rayon d’un proton, on peut le bombarder avec un faisceau d’électrons dans un accélérateur. Lorsqu’un électron entre en collision avec le proton, les deux changent de direction de mouvement, comme lors de la collision de deux boules de billard. En physique, ce processus est appelé diffusion élastique. Plus le proton est gros, plus ces collisions sont fréquentes. Son expansion peut donc être calculée à partir du type et de l’ampleur de la diffusion.
Plus la vitesse du faisceau d’électrons est élevée, plus les mesures sont précises. Cependant, cela augmente également le risque que l’électron et le proton forment de nouvelles particules lorsqu’ils entrent en collision. “À des vitesses ou des énergies élevées, cela se produit de plus en plus souvent”, explique Meißner, qui est également membre des domaines de recherche transdisciplinaires “Mathématiques, modélisation et simulation de systèmes complexes” et “Blocs de construction de la matière et interactions fondamentales”. “À son tour, les événements de diffusion élastique deviennent plus rares. Par conséquent, pour mesurer la taille des protons, on n’a jusqu’à présent utilisé que des données d’accélérateurs dans lesquels les électrons avaient une énergie relativement faible.”
En principe, cependant, les collisions qui produisent d’autres particules fournissent également des informations importantes sur la forme du proton. Il en va de même pour un autre phénomène qui se produit à des vitesses élevées du faisceau d’électrons – ce qu’on appelle l’annihilation électron-positron. “Nous avons développé une base théorique permettant d’utiliser ces événements pour calculer le rayon du proton”, explique le professeur Hans-Werner Hammer de l’Université technique de Darmstadt. “Cela nous permet de prendre en compte des données qui étaient jusqu’à présent laissées de côté”.
Cinq pour cent plus petit que supposé 20 ans
Grâce à cette méthode, les physiciens ont réanalysé les relevés d’expériences plus anciennes, mais aussi très récentes – y compris celles qui suggéraient auparavant une valeur de 0,88 femtomètre. Avec leur méthode, cependant, les chercheurs sont arrivés à 0,84 femtomètre ; c’est le rayon qui a également été trouvé dans de nouvelles mesures basées sur une méthodologie complètement différente.
Le proton semble donc être environ 5 % plus petit que ce qui était supposé dans les années 1990 et 2000. Dans le même temps, la méthode des chercheurs permet de mieux comprendre la structure fine des protons et de leurs frères et sœurs non chargés, les neutrons. Elle nous aide donc à comprendre un peu mieux la structure du monde qui nous entoure – la chaise, l’air, mais aussi les étoiles dans la nuit…ciel.
Référence : “New Insights into the Nucleon’s Electromagnetic Structure” par Yong-Hui Lin, Hans-Werner Hammer et Ulf-G. Meißner, 3 février 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.052002
Cette étude a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC), la Fondation Volkswagen, le programme Horizon 2020 de l’UE et le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF).
