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Matière

Les protons seraient plus petits qu'on ne le pensait

Le proton, élément constitutif fondamental de la matière, serait plus petit que ce qui était admis jusqu'à présent. L'expérience a été conduite à l'Institut suisse Paul-Scherrer (PSI) par une équipe internationale autour des physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching (MPQ, Bavière), l'Université Ludwig Maximilian de Munich et l'Institut de recherche sur les lasers de l'Université de Stuttgart (Bade-Wurtemberg). Le proton mesurerait 0,8414 femtomètre (10^(-15) m) et non pas 0,8768 fm. Ce résultat soulève des problèmes dans le monde de la physique : la valeur d'au moins une constante fondamentale serait modifiée et les calculs de l'électrodynamique quantique relativiste seraient à vérifier.

Pour cette nouvelle mesure, les physiciens ont fabriqué des atomes d'hydrogène spéciaux

Les scientifiques discutent encore des possibles causes de la divergence observée. Actuellement tout est mis au banc d'essais : les mesures de précisions antérieures, les calculs intensifs des théoriciens et jusqu'à une remise en cause de la théorie physique la plus validée, celle de l'électrodynamique quantique. "Je pars du principe qu'une erreur de calcul a été faite quelque part, car la théorie de l'électrodynamique quantique est très cohérente et bien établie", affirme le Prof. Pohl.

Les physiciens du groupe de travail vérifient cette nouvelle valeur avec des recherches supplémentaires utilisant l'atome d'hydrogène. Une interprétation du résultat est prévue pour 2012. Les scientifiques veulent ensuite adapter leur instrumentation afin de pouvoir mesurer le rayon du noyau d'hélium. Ces expériences devraient révéler comment les noyaux se déforment quand ils interagissent avec une charge négative. Les physiciens veulent ainsi décortiquer pas à pas la structure exacte de la matière, et espèrent déceler de nouvelles énigmes de la physique.

[BE">6], où l'électron est remplacé par un muon (chargé lui aussi négativement) qui gravite autour du noyau (le proton). Comme le muon est 200 fois plus lourd que l'électron, il gravite autour du proton avec une orbite beaucoup plus faible et est donc plus sensible à la taille du proton. A l'aide d'un laser spécialement conçu à cet effet (développé par une équipe de Stuttgart), les chercheurs ont pu mesurer la trajectoire des muons, et ont donc pu en déduire le rayon du proton.

Ces expériences ne pouvaient être réalisées qu'au PSI car c'est le seul endroit au monde où il est possible de générer un faisceau de muons d'une intensité suffisante. Cette méthode permet d'établir la taille du proton à partir des propriétés de la trajectoire des muons d'une manière nettement plus précise et donnent un résultat de 4% plus petit que celui admis précédemment.

La différence de taille peut paraitre infime, mais elle est la cause d'essais infructueux dans le passé. Des mesures avaient déjà commencé en 2003 et durant plusieurs années le Prof. Pohl du département de spectroscopie laser du MPQ et ses collègues pensaient que les instruments de mesure n'étaient pas assez précis car aucun signal n'était détecté. "Ce n'était pas dû à l'exactitude de la méthode mais au fait que nous ne pensions pas obtenir une différence de taille si importante".

Les scientifiques discutent encore des possibles causes de la divergence observée. Actuellement tout est mis au banc d'essais : les mesures de précisions antérieures, les calculs intensifs des théoriciens et jusqu'à une remise en cause de la théorie physique la plus validée, celle de l'électrodynamique quantique. "Je pars du principe qu'une erreur de calcul a été faite quelque part, car la théorie de l'électrodynamique quantique est très cohérente et bien établie", affirme le Prof. Pohl.

Les physiciens du groupe de travail vérifient cette nouvelle valeur avec des recherches supplémentaires utilisant l'atome d'hydrogène. Une interprétation du résultat est prévue pour 2012. Les scientifiques veulent ensuite adapter leur instrumentation afin de pouvoir mesurer le rayon du noyau d'hélium. Ces expériences devraient révéler comment les noyaux se déforment quand ils interagissent avec une charge négative. Les physiciens veulent ainsi décortiquer pas à pas la structure exacte de la matière, et espèrent déceler de nouvelles énigmes de la physique.

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