Il y a dix ans, à peu près n'importe quel physicien nucléaire pourrait vous dire la taille approximative du proton. Mais cela a changé en 2010, lorsque les physiciens atomiques ont dévoilé une nouvelle méthode qui promettait une mesure plus précise. La nouvelle quantité est 4% plus courte que prévu, déclenchant une ruée au sein des communautés de physique nucléaire et atomique pour déterminer si ce résultat divergent était dû à une nouvelle physique ou à une indication de problèmes avec les extractions de la quantité à partir d'expériences.

Maintenant, quatre physiciens nucléaires, deux expérimentateurs et deux théoriciens, pensent qu'ils ont résolu l'écart en utilisant des données expérimentales de physique nucléaire et un modèle physique avancé pour obtenir une nouvelle valeur pour la taille du proton. Le résultat a été publié dans Examen physique C en avril.

Prendre une mesure pour le proton

Une chose sur laquelle toutes les méthodes s'accordent est que le proton est minuscule. Le rayon de charge du proton, qui mesure la taille de la distribution de charge électrique dans la particule nucléaire, est un peu moins qu'un femtomètre, avec un seul femtomètre enregistrant à un quadrillionième de mètre.

En d'autres termes, si vous prenez un mètre et divisez sa longueur en un milliard de morceaux égaux, puis prendre juste un de ces morceaux et diviser sa longueur en un autre million de morceaux, la longueur de chacun de ces millions de pièces sera un femtomètre.

Parce qu'il est si petit, le rayon de charge du proton ne peut pas être mesuré directement. Au lieu, les physiciens nucléaires et atomiques utilisent des méthodes sophistiquées pour déterminer la taille des protons.

"Essentiellement, il s'agit de l'interaction du proton avec les champs électromagnétiques, cela fait partie de ce qu'on appelle la structure électromagnétique du proton, ou le facteur de forme du proton, " a expliqué Christian Weiss, un scientifique du département de l'Énergie Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Center for Theoretical and Computational Physics. "Ce que vous mesurez, c'est la taille de la distribution spatiale de la charge électrique du proton."

Compagnie à deux, Trois est une foule

Il y a environ 30 ans, les physiciens nucléaires et atomiques ont proposé deux méthodes différentes pour déterminer ce rayon de charge électrique.

Les physiciens nucléaires mènent des expériences par diffusion d'électrons, où les électrons sont lancés sur des protons, et le rayon de charge du proton est déterminé par le changement de trajectoire des électrons après leur rebond sur le proton.

"En quelques sortes, l'électron diffuse très doucement ce proton, ", a déclaré Weiss.

Les physiciens atomiques utilisent également des électrons pour mesurer le rayon du proton. Ils observent, en utilisant la spectroscopie, les niveaux d'énergie des électrons lorsqu'ils orbitent autour d'un petit noyau, comme l'hydrogène (avec un proton) ou le deutérium (avec un proton et un neutron).

En utilisant ces deux méthodes différentes, un rayon d'environ 0,88 femtomètre a été établi comme valeur mondiale.

Puis, en 2010, une équipe de recherche en physique atomique a fait une annonce choquante. Dans une torsion sur la méthode de la physique atomique, l'équipe a mesuré les niveaux d'énergie des électrons en orbite autour d'atomes d'hydrogène fabriqués en laboratoire qui ont remplacé un électron en orbite par un muon. Alors qu'un muon est de la même classe de particules que l'électron, il a 200 fois la masse de l'électron et orbite donc beaucoup plus près du proton. Cette proximité signifie que le rayon de charge du proton a un effet plus important sur son orbite.

Le nouveau, méthode plus précise a donné une mesure de 0,84 femtomètres, ou environ 4% plus petit que la valeur mondiale.

Le nouveau résultat a déclenché une frénésie d'activité autour d'une valeur que la plupart des physiciens pensaient déjà établie. D'autres expériences de diffusion d'électrons étaient prévues, des mesures supplémentaires de spectroscopie d'hydrogène et d'hydrogène muonique ont été effectuées, et les théories atomique et nucléaire ont été réexaminées à la recherche d'indices.

Les physiciens s'affrontent

Ici au Jefferson Lab, les nouveaux efforts ont galvanisé un examen des expériences qui ont été utilisées pour établir la valeur mondiale et un examen de la théorie nucléaire pour des moyens plus précis d'examiner les données ou de prédire la valeur à partir des résultats. Une équipe de quatre physiciens nucléaires s'est réunie pour travailler sur la science derrière la publication Physical Review C.

Ils ont commencé par aborder l'une des préoccupations des physiciens nucléaires expérimentaux concernant les données de diffusion des électrons :comment la quantité pour le rayon du proton a été obtenue à partir des données expérimentales.

"Il y a eu un défi d'extraire le rayon du proton à partir de ces données de diffusion d'électrons, parce que les expériences de diffusion réelles nécessitent un certain transfert de quantité de mouvement fini du proton, " Weiss a expliqué. " Le nombre qui vous intéresse est la réponse du proton à un transfert de quantité de mouvement nul, c'est donc quelque chose qui n'est pas directement accessible."

Au lieu, les physiciens nucléaires analysent les données qu'ils obtiennent des expériences aux transferts de quantité de mouvement les plus bas, puis utilisent une procédure pour extrapoler jusqu'à zéro. Il y a un débat en cours, cependant, quels transferts de dynamique sont encore pertinents et comment l'extrapolation doit être effectuée.

Deux membres de l'équipe sont des expérimentateurs :Douglas Higinbotham, un scientifique du Jefferson Lab, et Zhihong Ye, associé de recherche principal au Argonne National Lab. Ils ont résolu le côté expérimental du défi en considérant les données mondiales de pré-analyse sur un large éventail de transferts de quantité de mouvement.

Au lieu d'extrapoler à partir des données pour obtenir une valeur, ils ont plutôt tracé les données sur toute la gamme des transferts de quantité de mouvement mesurés tout en tenant compte du fait que le rayon de charge du proton pouvait être l'une des nombreuses valeurs possibles.

"Nous avons juste fixé le rayon dans nos ajustements et répété l'analyse à plusieurs reprises, à plusieurs reprises, pour chaque valeur raisonnable du rayon, " a déclaré Higinbotham. " Et puis est allé voir des théoriciens et leur a demandé de générer les courbes théoriques pour ces rayons, afin que nous puissions comparer et voir s'il y a accord.

Les deux autres membres de l'équipe de quatre personnes sont des théoriciens :Weiss et José Manuel Alarcón, professeur-chercheur à l'Université Complutense de Madrid. Ils ont travaillé ensemble pour renforcer les méthodes théoriques utilisées pour analyser le problème.

"Nous avons utilisé une méthode théorique particulière appelée théorie des champs effectifs pour créer un modèle de la structure du proton et de sa réponse à la diffusion électromagnétique lors de transferts de faible quantité de mouvement, " Weiss a expliqué. " La théorie condense la structure pertinente du proton à quelques nombres. Et cela vous permet de prédire la réponse du proton à la diffusion des électrons à des transferts de quantité de mouvement finis, et comment cela est lié au rayon de charge que vous souhaitez extraire."

Lorsque les expérimentateurs et les théoriciens ont ensuite comparé leurs travaux, ils ont trouvé qu'il a convergé vers une nouvelle valeur pour le rayon du proton, comme le montre l'animation.

"Ce qui est absolument beau et frappant, c'est quand on regarde s'il y a un rayon où l'ajustement global et le calcul théorique concordent, il existe une. C'est .845 femtomètres, " a déclaré Higinbotham. "Et c'est étrangement cohérent avec le résultat du rayon muonique et pas avec la plupart des résultats précédents d'extraction par diffusion d'électrons."

Une fenêtre sur la nouvelle physique

La quête pour résoudre cet écart n'est pas une vaine curiosité - la valeur de cette quantité a des effets de grande envergure. Par exemple, un résultat plus précis peut révéler des domaines inexplorés de la physique nucléaire et des particules.

"Cela peut être une fenêtre pour une nouvelle physique. Si nous ne pouvons pas concilier différentes mesures pour le rayon du proton, c'est peut-être parce qu'il y a une nouvelle physique que nous ne comprenons pas ou que nous n'avons pas dans notre théorie. C'est l'une des raisons pour lesquelles ce rayon du proton est si important, " a expliqué Alarcon.

Lorsqu'on leur a demandé s'ils pensent qu'il s'agit de la détermination finale pour cette quantité, les quatre chercheurs se sont opposés.

"La science est un processus d'affinement successif d'idées et de méthodes, dans laquelle notre compréhension actuelle n'est qu'une étape à partir de laquelle nous passons à une théorie et à des expériences plus précises, " dit Weiss.

Pour l'instant, ils indiquent plusieurs études expérimentales récentes qui utilisent des technologies plus récentes pour mesurer la valeur avec une précision encore plus élevée, y compris l'expérience PRad qui a recueilli des données de diffusion d'électrons dans le hall expérimental B du Jefferson Lab en 2016. Elle doit son nom à son objectif :une mesure toujours plus précise du rayon du proton.

"Le résultat de PRad sera publié cette année. Il sera intéressant de voir si le nouveau résultat peut confirmer notre analyse scientifique, " dit Ye.