Comparaison du résultat actuel avec les valeurs précédentes de la masse atomique du proton. Crédit :RIKEN
Quelle est la masse d'un proton ? Des scientifiques allemands et japonais ont fait un pas important vers une meilleure compréhension de cette constante fondamentale. Grâce à des mesures de précision sur un seul proton, ils ont pu améliorer la précision d'un facteur trois et également corriger la valeur existante.
Pour déterminer plus précisément la masse d'un seul proton, le groupe de physiciens de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg et RIKEN au Japon a effectué une importante mesure de haute précision dans un système de piège de Penning très avancé, conçu par Sven Sturm et Klaus Blaum de MPI-K, utilisant des détecteurs de particules uniques ultrasensibles qui ont été en partie développés par le laboratoire de symétries fondamentales d'Ulmer de RIKEN.
Le proton est le noyau de l'atome d'hydrogène et l'un des éléments de base de tous les autres noyaux atomiques. Par conséquent, la masse du proton est un paramètre important en physique atomique :c'est l'un des facteurs qui influent sur la façon dont les électrons se déplacent autour du noyau atomique. Cela se reflète dans les spectres, c'est à dire., les couleurs lumineuses (longueurs d'onde) que les atomes peuvent absorber et émettre à nouveau. En comparant ces longueurs d'onde avec des prédictions théoriques, il est possible de tester des théories physiques fondamentales. Plus loin, des comparaisons précises des masses du proton et de l'antiproton peuvent aider à la recherche de la différence cruciale – outre le signe inversé de la charge – entre la matière et l'antimatière.
Les pièges de Penning ont fait leurs preuves en tant qu'« échelles » appropriées pour les ions. Dans un tel piège, il est possible de confiner, presque indéfiniment, particules chargées uniques telles qu'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 ciblée, une technique de mesure élaborée était nécessaire.
L'isotope du carbone 12 C avec une masse de 12 unités de masse atomique est défini comme l'étalon de masse pour les atomes. "Nous l'avons utilisé directement pour la comparaison, " dit Sven Sturm. " D'abord, nous avons stocké chacun un proton et un ion de carbone ( 12 C 6+ ) dans des compartiments séparés de notre appareil de piège Penning, puis transporté chacun des deux ions dans le compartiment de mesure central et mesuré son mouvement. » À partir du rapport des deux valeurs mesurées, le groupe a obtenu la masse du proton directement en unités atomiques. Le compartiment de mesure était équipé d'une électronique spécialement conçue à cet effet. Andreas Mooser du Laboratoire de symétries fondamentales de RIKEN explique sa fonction :"Il 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."
La masse résultante du proton, déterminé à 1.007276466583(15)(29) unités de masse atomique, est trois fois plus précis que la valeur actuellement acceptée. Les chiffres entre parenthèses renvoient aux incertitudes statistiques et systématiques, respectivement.
Curieusement, la nouvelle valeur est nettement inférieure à la valeur standard actuelle. Les mesures effectuées par d'autres auteurs ont donné des écarts par rapport à la masse de l'atome de tritium, l'isotope le plus lourd de l'hydrogène (T = 3 H), et la masse d'hélium léger ( 3 He) par rapport à la molécule d'hydrogène "semi-lourde" HD (D = 2 H, deutérium, hydrogène lourd). "Notre résultat contribue à résoudre cette énigme, puisqu'il corrige la masse du proton dans la bonne direction, " dit Klaus Blaum.
Florian Köhler-Langes de MPIK explique comment les chercheurs entendent améliorer encore la précision de leur mesure :« À l'avenir, nous allons stocker un troisième ion dans notre tour piège. En mesurant simultanément le mouvement de cet ion de référence, nous pourrons éliminer l'incertitude provenant des fluctuations du champ magnétique. » Le travail a été publié dans Lettres d'examen physique .
