Ce fut l'une des percées de l'année 2010 :la spectroscopie laser de l'hydrogène muonique a donné une valeur pour le rayon de charge du proton qui était significativement plus petite, par quatre écarts types, que les déterminations précédentes utilisant de l'hydrogène ordinaire. Cet écart et son origine ont attiré beaucoup d'attention dans la communauté scientifique, avec des implications pour ce que l'on appelle le modèle standard de la physique.

Maintenant, une équipe de scientifiques de la division de spectroscopie laser du professeur Theodor W. Hänsch de l'institut Max Planck d'optique quantique à Garching a effectué une nouvelle mesure spectroscopique de l'hydrogène régulier ( Science , 6 octobre 2017). Les valeurs résultantes pour la constante de Rydberg et le rayon du proton sont en excellent accord avec les résultats muoniques ( La nature 466, 213 (2010)), mais en désaccord de 3,3 écarts-types avec la moyenne des déterminations précédentes de l'hydrogène ordinaire.

L'hydrogène est le plus simple de tous les éléments chimiques. D'après le modèle proposé par Niels Bohr en 1913, il se compose d'un seul proton et d'un électron en orbite autour de lui. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit les niveaux d'énergie de ce système avec 12 chiffres de précision. À cause de ce, l'hydrogène joue un rôle clé dans notre compréhension de la nature. Son étude permet la détermination de constantes fondamentales telles que la constante de Rydberg et le rayon de charge du proton.

L'hydrogène est ainsi le sujet idéal pour tester les lois de la nature. C'est pourquoi une mesure sur l'hydrogène muonique, résultant en une valeur étonnamment faible pour le rayon de charge du proton, fait de grosses vagues en 2010. Dans cette expérience, fait à l'Institut Paul Scherrer de Villingen, La Suisse, l'électron de l'atome d'hydrogène est remplacé par sa particule sœur, le muon 200 fois plus lourd et de courte durée. La spectroscopie laser de cet hydrogène muonique a donné une valeur du rayon du proton extrêmement précise, mais quatre pour cent de moins que les mesures précédentes sur l'hydrogène ordinaire. "Comme le muon est 200 fois plus lourd que l'électron, il orbite beaucoup plus près du proton et "sent" sa taille, " explique le professeur Randolf Pohl (maintenant à Johannes Gutenberg-Universität Mainz), membre de l'équipe MPQ. "À cause de ce, le rayon du proton a une influence sept fois plus grande sur les raies spectrales que dans l'hydrogène ordinaire. Cela nous permet de déterminer le rayon du proton avec une telle précision."

Le grand écart entre les mesures de l'hydrogène ordinaire et de son cousin exotique a suscité de nombreux débats sur son origine. "Toutefois, certaines des mesures précédentes concordent en fait avec la valeur muonique. L'influence du rayon du proton sur les niveaux d'énergie dans l'hydrogène ordinaire est minime, et même des mesures de très haute précision peinent à le résoudre. L'écart ne devient significatif que lorsque toutes les mesures sont moyennées, " explique Lothar Maisenbacher, l'un des étudiants diplômés travaillant sur le projet. "C'est pourquoi, pour résoudre ce « casse-tête du rayon du proton », nouvelles mesures individuelles de haute précision, et, si possible, différentes approches expérimentales sont nécessaires."

Afin de déterminer à la fois la constante de Rydberg et le rayon de charge du proton à partir de la spectroscopie de l'hydrogène ordinaire, deux fréquences de transition différentes doivent être mesurées. La résonance de loin la plus aiguë, la transition dite 1S-2S, sert de pierre angulaire dans cette détermination. Sa fréquence a été mesurée, en 2011, à 15 chiffres par l'équipe MPQ ( Phys. Rév. Lett . 107, 203001 (2011)). Cette haute précision a été rendue possible notamment par l'invention du peigne de fréquence, pour lequel le professeur Hänsch a reçu le prix Nobel de physique en 2005. Pour la deuxième mesure de fréquence nécessaire, l'équipe MPQ a choisi la transition dite 2S-4P, qui relie l'état 2S métastable à l'état 4P à durée de vie beaucoup plus courte.

Dans l'expérience, cette transition est excitée par un laser d'une longueur d'onde de 486 nm et la fluorescence collectée à partir de la décroissance de l'état 4P sert de signal. L'appareil utilisé précédemment pour la mesure 1S-2S sert de source d'atomes à l'état 2S. Par rapport aux expériences précédentes, qui utilisait des atomes à température ambiante, les atomes sondés ici ont une température sensiblement inférieure de 5,8 Kelvin et, par conséquent, une vitesse beaucoup plus faible. Cette, avec des techniques spécialement développées, supprime fortement le décalage Doppler, qui constitue la plus grande source d'incertitude pour cette mesure.

"Une autre source d'incertitude dans cette expérience est la soi-disant interférence quantique, " explique Lothar Maisenbacher. " Si on pouvait sonder un seul, transition isolée, la forme de la raie spectrale résultante serait symétrique. Cependant, dans notre cas il y a deux autres états supérieurs qui peuvent être excités par le laser, appelé 4P1/2 et 4P3/2. Il en résulte une forme légèrement asymétrique des raies spectrales, rendant la détermination du centre de la ligne plus difficile. Bien qu'il s'agisse d'un très petit effet, cela joue un grand rôle pour nous car nous déterminons le centre de la ligne avec une précision si élevée de presque une partie sur 10, 000 de la largeur de ligne."

Pour décrire l'influence de l'interférence quantique, les scientifiques ont effectué des simulations numériques sophistiquées, qui sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux. "Dans notre cas, cependant, un dérivé spécialement, la fonction d'ajustement simple est suffisante pour supprimer les effets de l'interférence quantique, " souligne Vitaly Andreev, également un étudiant diplômé sur le projet. "Nous utilisons cette fonction d'ajustement pour notre évaluation des données. De cette façon, la simulation n'est nécessaire que pour de petites corrections de l'ordre de 1 kHz."

Avec ça, l'équipe MPQ a réussi à déterminer la fréquence de la transition 2S-4P avec une incertitude de 2,3 kHz. Cela correspond à une incertitude fractionnaire de 4 parties sur 10 ¹² , ce qui en fait la deuxième meilleure mesure de spectroscopie de l'hydrogène après la mesure de transition 1S-2S susmentionnée. En combinant ces résultats, la constante de Rydberg et la taille du proton sont déterminées comme étant R ?? =10973731,568076(96) m ^-1 et r p =0,8335(95) fm, respectivement.

"Notre mesure est presque aussi précise que toutes les mesures précédentes sur l'hydrogène ordinaire réunies, " résume le Pr Thomas Udem, le chef de projet. "Nous sommes en bon accord avec les valeurs de l'hydrogène muonique, mais en désaccord de 3,3 écarts-types avec les données mondiales sur l'hydrogène, pour la constante de Rydberg et le rayon du proton. Pour trouver les causes de ces écarts, des mesures supplémentaires avec une précision peut-être encore plus élevée sont nécessaires. Après tout, il faut garder à l'esprit que de nombreuses nouvelles découvertes se sont d'abord révélées comme des divergences."