Alexey Grinin et Dery Taray travaillent sur le système de vide de l'expérience 1S-3S. Crédit :Société Max Planck
Les physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique ont testé la mécanique quantique à un tout nouveau niveau de précision en utilisant la spectroscopie d'hydrogène, et ce faisant, ils se sont rapprochés beaucoup plus de la résolution du célèbre casse-tête du rayon de charge des protons.
Les scientifiques de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont réussi à tester l'électrodynamique quantique avec une précision sans précédent jusqu'à 13 décimales. La nouvelle mesure est presque deux fois plus précise que toutes les mesures précédentes de l'hydrogène combinées et rapproche la science de la résolution du casse-tête de la taille des protons. Cette haute précision a été obtenue par la technique du peigne de fréquence lauréat du prix Nobel, qui a fait ses débuts ici pour la première fois pour exciter des atomes en spectroscopie haute résolution. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans Science .
On dit que la physique est une science exacte. Cela signifie que les prédictions des théories physiques - des nombres exacts - peuvent être vérifiées ou falsifiées par des expériences. L'expérience est le plus haut juge de toute théorie. électrodynamique quantique, la version relativiste de la mécanique quantique, est sans aucun doute la théorie la plus aboutie à ce jour. Il permet d'effectuer des calculs extrêmement précis, par exemple, la description du spectre de l'hydrogène atomique à 12 décimales. L'hydrogène est l'élément le plus commun dans l'univers et en même temps le plus simple avec un seul électron. Et encore, il abrite un mystère encore inconnu.
Le puzzle de la taille des protons
L'électron dans l'atome d'hydrogène « sent » la taille du proton, ce qui se traduit par des changements minimes des niveaux d'énergie. Pendant de nombreuses décennies, d'innombrables mesures sur l'hydrogène ont donné un rayon de proton cohérent. Mais les études spectroscopiques de ce qu'on appelle l'hydrogène muonique, dans lequel l'électron a été remplacé par son jumeau 200 fois plus lourd - le muon - a révélé un mystère. Les mesures ont été réalisées en 2010 en collaboration avec Randolf Pohl, à l'époque, chef de groupe au département de spectroscopie laser du professeur Hänsch (MPQ) et maintenant professeur à l'université Johannes Gutenberg de Mayence. La valeur du rayon du proton qui peut être dérivée de ces expériences est de quatre pour cent inférieure à celle de l'hydrogène ordinaire. Si toutes les expériences sont considérées comme correctes, une contradiction avec la théorie de l'électrodynamique quantique survient car toutes les mesures dans l'hydrogène muonique et ordinaire doivent rapporter le même rayon de proton, lorsque tous les termes théoriques sont corrects. En conséquence, ce "puzzle du rayon du proton" a motivé de nouvelles mesures de précision partout dans le monde. Cependant, tandis que de nouvelles mesures de Garching et de Toronto ont confirmé le plus petit rayon du proton, une mesure de Paris a de nouveau soutenu la valeur plus grande précédente.
Dans cette figure, différents résultats pour le rayon du proton sont comparés en femtomètre [fm], c'est-à-dire m. La nouvelle valeur de la transition 1S-3S dans l'hydrogène ordinaire est plus proche de la valeur obtenue à partir de la transition 2S-2P dans l'hydrogène muonique. Bien que cet atome exotique ne puisse être produit que pendant une courte période de deux millionièmes de seconde, il est particulièrement "sensible" au rayon du proton. Il supporte donc les plus petites erreurs de mesure (barres d'erreur noires horizontales). Crédit :Société Max Planck
Comparer les mesures
La science se nourrit de comparaisons indépendantes. C'est pourquoi l'équipe de Garching dirigée par Alexey Grinin, Arthur Matveev et Thomas Udem du Département de Spectroscopie Laser de Theodor Hänsch ont voulu mesurer la même transition qu'à Paris en utilisant une méthode complètement différente et donc complémentaire. En utilisant la spectroscopie à peigne de fréquence à deux photons dite sans Doppler, ils ont maintenant réussi à améliorer la précision d'un facteur de quatre. Le résultat pour le rayon du proton était maintenant deux fois plus précis que toutes les mesures précédentes sur l'hydrogène réunies. C'est la première fois que la mécanique quantique est vérifiée à la treizième décimale. La valeur du rayon du proton déterminée de cette manière confirme le rayon du proton plus petit et exclut ainsi la théorie comme cause. Car pour la même transition, les résultats expérimentaux doivent concorder, quelle que soit la théorie. La figure suivante (fig. 1) montre la situation actuelle.
Les évaluations sur la validité de l'électrodynamique quantique ne sont possibles qu'avec la comparaison de plusieurs mesures indépendantes. Si la théorie et son application sont vraies, et toutes les expériences sont menées correctement, les valeurs du rayon du proton doivent concorder entre elles dans les limites de l'incertitude expérimentale. Mais ce n'est pas le cas, comme on peut le voir sur la photo. La divulgation de cette divergence - le puzzle du proton - a ouvert la possibilité que l'électrodynamique quantique, la théorie physique la plus précise, peut être porteur d'un défaut fondamental. Le nouveau résultat suggère cependant que le problème est de nature expérimentale plutôt que fondamentale. Et l'électrodynamique quantique aurait une fois de plus réussi.
Nouveau jalon dans la spectroscopie à peigne de fréquence
La lumière laser bleue (410 nm) est générée en tant que deuxième harmonique d'un laser pulsé Titane:Saphir utilisant un cristal non linéaire.
Le succès de la spectroscopie à peigne de fréquence réalisée dans ce projet signifie également une étape importante dans la science pour une autre raison. La spectroscopie de précision sur l'hydrogène et d'autres atomes et molécules a jusqu'à présent été réalisée presque exclusivement avec des lasers à onde continue. En revanche, le peigne de fréquence est généré par un laser pulsé. Avec de tels lasers, il est possible de pénétrer dans des longueurs d'onde beaucoup plus courtes jusqu'à l'extrême ultraviolet. Avec des lasers à onde continue, cela semble être une entreprise désespérée. Ions très intéressants, comme l'ion hélium de type hydrogène, ont leurs transitions dans cette gamme spectrale, mais même plus de 100 ans après le développement de la première théorie quantique, ils ne peuvent pas être étudiés avec précision, ce qui signifie avec la lumière laser. L'expérience maintenant présentée est une étape essentielle pour changer cette situation insatisfaisante. En outre, on espère que ces peignes à fréquences ultraviolettes permettront de refroidir directement par laser des éléments biologiquement et chimiquement importants tels que l'hydrogène et le carbone, permettant à la science de les étudier avec une précision encore plus élevée.
