Des chercheurs de l'Université York ont ​​mesuré avec précision la taille du proton, une étape cruciale vers la résolution d'un mystère qui préoccupe les scientifiques du monde entier au cours de la dernière décennie.

Les scientifiques pensaient connaître la taille du proton, mais cela a changé en 2010 lorsqu'une équipe de physiciens a mesuré la valeur du rayon du proton comme étant quatre pour cent plus petite que prévu, qui a dérouté la communauté scientifique. Depuis, les physiciens du monde se sont efforcés de résoudre l'énigme du rayon proton – l'incohérence entre ces deux valeurs de rayon proton. Cette énigme est un problème non résolu important en physique fondamentale aujourd'hui.

Maintenant, une étude à paraître dans la revue Science trouve une nouvelle mesure de la taille du proton à 0,833 femtomètre, ce qui représente un peu moins d'un billionième de millimètre. Cette mesure est environ cinq pour cent plus petite que la valeur de rayon précédemment acceptée avant 2010.

L'étude, dirigé par des chercheurs de la Faculté des sciences de l'Université York, présente une nouvelle mesure basée sur les électrons de l'étendue de la charge positive du proton, et cela confirme la découverte de 2010 selon laquelle le proton est plus petit qu'on ne le croyait auparavant.

"Le niveau de précision requis pour déterminer la taille du proton a fait de cette mesure la plus difficile que notre laboratoire ait jamais tentée, " a déclaré le professeur de recherche distingué Eric Hessels, Département de physique et d'astronomie, qui a dirigé l'étude.

"Après huit ans de travail sur cette expérience, nous sommes heureux d'enregistrer une mesure d'une telle précision qui aide à résoudre l'énigme insaisissable du rayon proton, " a déclaré Hessels.

La quête pour résoudre le puzzle proton-rayon a des conséquences de grande envergure pour la compréhension des lois de la physique, comme la théorie de l'électrodynamique quantique, qui décrit comment la lumière et la matière interagissent.

Hessels, qui est un physicien de renommée internationale et expert en physique atomique, affirme que trois études précédentes ont été essentielles pour tenter de résoudre l'écart entre les déterminations basées sur les électrons et celles basées sur les muons de la taille des protons.

L'étude de 2010 a été la première à utiliser de l'hydrogène muonique pour déterminer la taille des protons, par rapport aux expériences antérieures qui utilisaient de l'hydrogène ordinaire. À l'époque, les scientifiques ont étudié un atome exotique dans lequel l'électron est remplacé par un muon, le cousin le plus lourd de l'électron. Alors qu'une étude de 2017 utilisant de l'hydrogène était d'accord avec la détermination basée sur le muon de 2010 du rayon de charge du proton, une expérimentation 2018, utilisant également de l'hydrogène, pris en charge la valeur d'avant 2010.

Hessels et son équipe de scientifiques ont passé huit ans à résoudre l'énigme du rayon proton et à comprendre pourquoi le rayon du proton prenait une valeur différente lorsqu'il était mesuré avec des muons, plutôt que des électrons.

L'équipe de l'Université York a étudié l'hydrogène atomique pour comprendre la valeur déviante obtenue à partir de l'hydrogène muonique. Ils ont effectué une mesure de haute précision en utilisant la technique des champs oscillatoires séparés par décalage de fréquence (FOSOF), qu'ils ont développé pour cette mesure. Cette technique est une modification de la technique des champs oscillatoires séparés qui existe depuis près de 70 ans et qui a valu à Norman F. Ramsey un prix Nobel. Leur mesure a utilisé un faisceau rapide d'atomes d'hydrogène créé en faisant passer des protons à travers une cible de gaz d'hydrogène moléculaire. La méthode leur a permis de faire une mesure basée sur les électrons du rayon du proton qui est directement analogue à la mesure basée sur les muons de l'étude de 2010. Leur résultat est en accord avec la plus petite valeur trouvée dans l'étude de 2010.