Comment mesurer la largeur d'un proton ?

Une règle n'aidera pas et un microscope non plus. Au lieu, il s'agit de briser des électrons en protons à presque la vitesse de la lumière, puis mesurer la distance parcourue par les électrons lorsqu'ils rebondissent, ou se disperser, des protons.

Cette méthode est appelée diffusion d'électrons, et une nouvelle version a été utilisée pour la première fois au Jefferson Laboratory, fournissant l'une des mesures les plus précises jamais réalisées pour le rayon de charge d'un proton.

Les physiciens qui passent leur vie à explorer l'univers subatomique disent que ces résultats rapprochent la science de la résolution du "casse-tête du rayon du proton" - ou expliquent pourquoi différentes méthodes expérimentales au fil des ans ont abouti à deux mesures différentes.

Pendant longtemps, le rayon du proton a été mesuré à 0,88 femtomètre (fm). Puis en 2010, un autre type d'expérience est venu avec 0,84 fm, ou environ 4% plus petit.

Pourquoi une différence de 4 % à une échelle infinitésimale serait-elle importante ?

Pour un, dit Ashot Gasparian, professeur à la North Carolina A&T State University et chef d'équipe d'expérimentation, le proton, qui se trouve au cœur de l'atome, se situe à l'intersection de trois grandes branches de la physique :atomique, nucléaire et particulaire. Ainsi, même une petite différence est un gros problème - certains physiciens ont même supposé que les résultats de 2010 pourraient signaler une cinquième force de la nature.

Et, pour un autre, des mesures plus précises des particules subatomiques aident à affiner le modèle standard de la physique des particules, un modèle qui aide à expliquer le fonctionnement de l'univers.

Ainsi, en 2012, Gasparian et son équipe ont travaillé à la mise au point d'un nouveau type d'expérience de diffusion d'électrons - la première nouvelle méthode en un demi-siècle - pour mesurer le rayon du proton. Appelé l'expérience PRad, il a reçu une haute priorité au Jefferson Lab et à son puissant accélérateur CEBAF.

"Les gens cherchaient des réponses, " Gasparian a dit. " Mais pour faire une autre expérience de diffusion électron-proton, de nombreux sceptiques ne pensaient pas que nous pouvions faire quelque chose de nouveau."

Toujours, l'équipe a proposé trois outils et méthodes.

Le premier consistait à mettre en œuvre un nouveau type de système cible sans fenêtre qui permettait essentiellement aux électrons diffusés de se déplacer de manière assez transparente dans les détecteurs.

La seconde utilisait un calorimètre plutôt qu'un spectromètre magnétique traditionnel pour détecter et mesurer les énergies et les positions des électrons diffusés, tandis qu'un multiplicateur d'électrons à gaz nouvellement construit a également détecté les positions des électrons avec une précision toujours plus grande.

Et la troisième consistait à placer ces détecteurs à une distance angulaire extrêmement proche de l'endroit où le faisceau d'électrons a heurté la cible d'hydrogène.

« En diffusion électronique, pour extraire le rayon, nous devons aller à un angle de diffusion aussi petit que possible, " dit Dipangkar Dutta, membre de l'équipe et professeur à la Mississippi State University. "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 vous rapprochez de zéro, le meilleur."

La mesure proposée par l'équipe était de 0,831 fm, confirmant essentiellement la mesure de 2010. Leurs résultats anéantirent les espoirs des physiciens qui rêvaient d'une cinquième force.

"L'expérience PRad semble fermer la porte à cette possibilité, " a déclaré Dutta. "Ceci doit encore être confirmé avec des expériences similaires, mais en ce moment, il semble que ce soit le cas."

Leurs résultats ont été publiés récemment dans la revue La nature . L'équipe travaille déjà à plus d'expériences au Jefferson Lab pour réduire encore plus l'incertitude dans le rayon du proton, dit Gasparian. Pendant ce temps, quelques autres installations de physique nucléaire dans le monde font de même.

"Si la précision est encore améliorée, " dit Gasparien, "cela pourrait montrer qu'il y a une petite différence, et ce sera très important pour découvrir une nouvelle physique. Aussi, cette même technique peut être appliquée non seulement pour mesurer la taille du proton, mais aussi pour d'autres types de mesures où nous serions en mesure de regarder au-delà de la physique du modèle standard."

Où de tels efforts pourraient-ils mener un jour dans le monde réel ?

"C'est très difficile à prévoir, " a déclaré Dutta. "Parce que chaque fois que vous faites de la science fondamentale, personne ne sait quelle sera l'application éventuelle."

Mais il existe des précédents importants, il a dit. IRM, ou des scanners d'imagerie par résonance magnétique, est venu de quelqu'un qui a essayé de mesurer le spin du proton dans la structure moléculaire. Transistors au silicium, qui a révolutionné l'électronique, est née de quelqu'un qui bricolait avec des morceaux de silicium pour comprendre comment ils se comportent. Et les protons thérapies pour traiter le cancer sont venues de quelqu'un essayant de mesurer comment le proton dépose son énergie lorsqu'il traverse les matériaux.

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