En utilisant la première nouvelle méthode depuis un demi-siècle pour mesurer la taille du proton par diffusion d'électrons, la collaboration PRad a produit une nouvelle valeur pour le rayon du proton dans une expérience menée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère de l'Énergie.

Le résultat, récemment publié dans la revue La nature , est l'une des plus précises mesurées à partir d'expériences de diffusion d'électrons. La nouvelle valeur du rayon du proton qui a été obtenue est de 0,831 fm, ce qui est inférieur à la valeur précédente de diffusion d'électrons de 0,88 fm et est en accord avec les résultats récents de la spectroscopie atomique muonique.

"Nous sommes heureux que des années de travail acharné de notre collaboration se terminent avec un bon résultat qui aidera de manière critique à résoudre le soi-disant casse-tête du rayon du proton, " dit Ashot Gasparian, professeur à la North Carolina A&T State University et porte-parole de l'expérience.

Toute la matière visible dans l'univers est construite sur un nuage de trois quarks liés entre eux par une forte énergie de force. Le proton omniprésent, qui se trouve au cœur de chaque atome, a fait l'objet de nombreuses études et expérimentations visant à révéler ses secrets. Encore, un résultat inattendu d'une expérience pour mesurer la taille de ce nuage, en termes de son rayon de charge quadratique moyenne, a uni les physiciens atomiques et nucléaires dans un tourbillon d'activités pour réexaminer cette quantité de base du proton.

Avant 2010, les mesures les plus précises du rayon du proton provenaient de deux méthodes expérimentales différentes. Dans les expériences de diffusion d'électrons, les électrons sont tirés sur les protons, et le rayon de charge du proton est déterminé par le changement de trajectoire des électrons après leur rebond, ou se disperser de, le proton. Dans les mesures de spectroscopie atomique, les transitions entre niveaux d'énergie par les électrons sont observées (sous forme de photons émis par les électrons) lorsqu'ils orbitent autour d'un petit noyau. Les noyaux qui ont généralement été observés comprennent l'hydrogène (avec un proton) ou le deutérium (avec un proton et un neutron). Ces deux méthodes différentes ont donné un rayon d'environ 0,88 femtomètre.

En 2010, les physiciens atomiques ont annoncé les résultats d'une nouvelle méthode. Ils ont mesuré la transition entre 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, qui orbite beaucoup plus près du proton et est plus sensible au rayon de charge du proton. Ce résultat a donné une valeur qui était 4% plus petite qu'auparavant, à environ 0,84 femtomètre.

En 2012, une collaboration de scientifiques dirigée par Gasparian s'est réunie au Jefferson Lab pour réorganiser les méthodes de diffusion des électrons dans l'espoir de produire une nouvelle mesure plus précise du rayon de charge du proton. L'expérience PRad a reçu une programmation prioritaire comme l'une des premières expériences à prendre des données et à terminer son exécution à la suite d'une mise à niveau de l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu, une installation d'utilisateurs du DOE pour la recherche en physique nucléaire. L'expérience a pris des données de diffusion d'électrons dans le hall expérimental B du Jefferson Lab en 2016.

« Quand nous avons commencé cette expérience, les gens cherchaient des réponses. Mais pour faire une autre expérience de diffusion électron-proton, de nombreux sceptiques ne croyaient pas que nous puissions faire quelque chose de nouveau, " dit Gasparian. " Si vous voulez inventer quelque chose de nouveau, vous devez trouver de nouveaux outils, une nouvelle méthode. Et nous l'avons fait, nous avons fait une expérience complètement différente des autres expériences de diffusion d'électrons."

La collaboration a institué trois nouvelles techniques pour améliorer la précision de la nouvelle mesure. Le premier était la mise en œuvre d'un nouveau type de système cible sans fenêtre, qui a été financé par une subvention d'instrumentation de recherche majeure de la National Science Foundation et a été largement développé, fabriqué et exploité par le groupe cible de Jefferson Lab.

La cible sans fenêtre a fait couler de l'hydrogène gazeux réfrigéré directement dans le flux d'électrons accélérés de 1,1 et 2,2 GeV du CEBAF et a permis aux électrons diffusés de se déplacer presque sans entrave dans les détecteurs.

"Quand on dit sans fenêtre, nous disons que le tube est ouvert au vide de l'accélérateur. Ce qui ressemble à une fenêtre, mais en diffusion d'électrons, une fenêtre est un couvercle métallique sur l'extrémité du tube, et ceux-ci ont été supprimés, " dit Dipangkar Dutta, co-porte-parole de l'expérience et professeur à l'Université d'État du Mississippi.

"C'est donc la première fois que des gens placent une cible de flux de gaz sur la ligne de lumière du Jefferson Lab, " dit Haiyan Gao, co-porte-parole de l'expérience et professeur Henry Newson à l'Université Duke. "Le vide était bon, afin que nous puissions avoir un faisceau d'électrons traversant notre cible pour faire l'expérience, et nous avons en fait un trou dans le foil d'entrée et un autre dans le foil de sortie. Essentiellement, le faisceau vient de passer directement à l'hydrogène gazeux, ne voyant aucune fenêtre."

La différence majeure suivante était l'utilisation d'un calorimètre plutôt que le spectromètre magnétique traditionnellement utilisé pour détecter les électrons diffusés résultant des électrons entrants frappant les protons ou les électrons de l'hydrogène. Le calorimètre hybride réutilisé HyCal a mesuré les énergies et les positions des électrons diffusés, tandis qu'un multiplicateur d'électrons gazeux nouvellement construit, le détecteur GEM, également détecté les positions des électrons avec une précision encore plus élevée.

Les données des deux détecteurs ont ensuite été comparées en temps réel, ce qui a permis aux physiciens nucléaires de classer chaque événement comme une diffusion électron-électron ou une diffusion électron-proton. Cette nouvelle méthode de classification des événements a permis aux physiciens nucléaires de normaliser leurs données de diffusion électron-proton en données de diffusion électron-électron, réduisant considérablement les incertitudes expérimentales et augmentant la précision.

La dernière amélioration majeure a été le placement de ces détecteurs à une distance angulaire extrêmement proche de l'endroit où le faisceau d'électrons a frappé la cible d'hydrogène. La collaboration a permis de réduire cette distance à moins d'un degré.

"Dans la diffusion d'électrons, pour extraire le rayon, nous devons aller à un angle de diffusion aussi petit que possible, " dit Dutta. " Pour obtenir le rayon du proton, vous devez extrapoler à l'angle zéro, auquel vous ne pouvez pas accéder dans une expérience. Donc, plus vous pouvez vous rapprocher de zéro, le meilleur."

"La région que nous avons explorée est à un tel angle vers l'avant et à un si petit transfert de quatre impulsions au carré qu'elle n'a jamais été atteinte auparavant dans la diffusion électron-proton, " ajoute Mahbub Khandaker, co-porte-parole de l'expérience et professeur à l'Idaho State University.

Les collaborateurs disent que le résultat est unique, car il a utilisé une nouvelle technique via la diffusion d'électrons pour déterminer le rayon de charge du proton. Maintenant, ils sont impatients de comparer le résultat aux nouvelles déterminations spectroscopiques du rayon du proton et aux prochaines mesures de diffusion des électrons et des muons qui sont menées dans le monde entier.

Plus loin, ce résultat jette également un nouvel éclairage sur la conjecture d'une nouvelle force de la nature qui a été proposée lorsque le puzzle du rayon du proton a fait surface pour la première fois.

"Lorsque le puzzle initial du rayon du proton est sorti en 2010, il y avait de l'espoir dans la communauté que nous ayons peut-être trouvé une cinquième force de la nature, que cette force agit différemment entre les électrons et les muons, " dit Dutta. "Mais l'expérience PRad semble fermer la porte à cette possibilité."

Ils disent que la prochaine étape consiste à envisager de mener d'autres investigations en utilisant cette nouvelle méthode expérimentale pour obtenir des mesures de précision encore plus élevées sur ce sujet et sur des sujets connexes, comme le rayon du deutéron, le noyau de deutérium.

"Il y a de très bonnes chances que nous puissions améliorer nos mesures d'un facteur deux ou peut-être même plus, " dit Gao.