Dans des expériences à l'Institut Paul Scherrer PSI, une collaboration internationale de recherche a mesuré le rayon du noyau atomique d'hélium cinq fois plus précisément que jamais auparavant. A l'aide de la nouvelle valeur, les théories physiques fondamentales peuvent être testées et les constantes naturelles peuvent être déterminées encore plus précisément. Pour leurs mesures, les chercheurs avaient besoin de muons – ces particules sont similaires aux électrons mais sont environ 200 fois plus lourdes. Le PSI est le seul site de recherche au monde où suffisamment de muons dits de basse énergie sont produits pour de telles expériences. Les chercheurs publient aujourd'hui leurs résultats dans la revue La nature .

Après l'hydrogène, l'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'univers. Environ un quart des noyaux atomiques qui se sont formés dans les premières minutes après le Big Bang étaient des noyaux d'hélium. Ceux-ci se composent de quatre blocs de construction :deux protons et deux neutrons. Pour la physique fondamentale, il est crucial de connaître les propriétés du noyau d'hélium, entre autres pour comprendre les processus dans d'autres noyaux atomiques plus lourds que l'hélium. "Le noyau d'hélium est un noyau très fondamental, que l'on pourrait qualifier de magique, " dit Aldo Antognini, un physicien au PSI et à l'ETH Zurich. Son collègue et co-auteur Randolf Pohl de l'université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne ajoute :« Nos connaissances antérieures sur le noyau d'hélium proviennent d'expériences avec des électrons. Au PSI, cependant, nous avons pour la première fois développé un nouveau type de méthode de mesure qui permet une bien meilleure précision."

Avec ça, la collaboration internationale de recherche a réussi à déterminer la taille du noyau d'hélium environ cinq fois plus précisément que ce qui était possible dans les mesures précédentes. Le groupe publie aujourd'hui ses résultats dans la célèbre revue scientifique La nature . D'après leurs conclusions, le rayon de charge moyen du noyau d'hélium est de 1,67824 femtomètres.

"L'idée derrière nos expériences est simple, " explique Antognini. Normalement, deux électrons chargés négativement orbitent autour du noyau d'hélium chargé positivement. " Nous ne travaillons pas avec des atomes normaux, mais avec des atomes exotiques dans lesquels les deux électrons ont été remplacés par un seul muon, " dit le physicien. Le muon est considéré comme le frère le plus lourd de l'électron; il lui ressemble, mais il est environ 200 fois plus lourd. Un muon est beaucoup plus fortement lié au noyau atomique qu'un électron et l'entoure sur des orbites beaucoup plus étroites. Par rapport aux électrons, un muon est beaucoup plus susceptible de rester dans le noyau lui-même. "Donc avec l'hélium muonique, nous pouvons tirer des conclusions sur la structure du noyau atomique et mesurer ses propriétés, " explique Antognini.

Muons lents, système laser compliqué

Les muons sont produits au PSI à l'aide d'un accélérateur de particules. La spécialité de l'installation :générer des muons à basse énergie. Ces particules sont lentes et peuvent être arrêtées dans l'appareil pour les expériences. C'est la seule façon pour les chercheurs de former les atomes exotiques dans lesquels un muon jette un électron hors de son orbite et le remplace. Muons rapides, en revanche, volerait à travers l'appareil. Le système PSI délivre plus de muons de basse énergie que tous les autres systèmes comparables dans le monde. "C'est pourquoi l'expérience avec l'hélium muonique ne peut être réalisée qu'ici, " dit Franz Kottmann, qui depuis 40 ans poursuit les études préalables et les développements techniques nécessaires à cette expérimentation.

Les muons ont heurté une petite chambre remplie d'hélium. Si les conditions sont réunies, l'hélium muonique est créé, où le muon est dans un état énergétique dans lequel il reste souvent dans le noyau atomique. « Maintenant, le deuxième élément important de l'expérience entre en jeu :le système laser, " explique Pohl. Le système compliqué tire une impulsion laser sur le gaz d'hélium. Si la lumière laser a la bonne fréquence, il excite le muon et le fait passer à un état d'énergie plus élevé, dans lequel son chemin est pratiquement toujours en dehors du noyau. Quand il passe de cet état à l'état fondamental, il émet des rayons X. Les détecteurs enregistrent ces signaux de rayons X.

Dans l'expérience, la fréquence laser est modifiée jusqu'à ce qu'un grand nombre de signaux de rayons X arrivent. Les physiciens parlent alors de fréquence dite de résonance. Avec son aide, alors, la différence entre les deux états énergétiques du muon dans l'atome peut être déterminée. Selon la théorie, la différence d'énergie mesurée dépend de la taille du noyau atomique. D'où, en utilisant l'équation théorique, le rayon peut être déterminé à partir de la résonance mesurée. Cette analyse de données a été réalisée dans le groupe de Randolf Pohl à Mayence.

Le mystère du rayon du proton s'estompe

Les chercheurs du PSI avaient déjà mesuré le rayon du proton de la même manière en 2010. A cette époque, leur valeur ne correspondait pas à celle obtenue par d'autres méthodes de mesure. On a parlé d'un puzzle de rayon de proton, et certains ont émis l'hypothèse qu'une nouvelle physique pourrait se trouver derrière elle sous la forme d'une interaction jusqu'alors inconnue entre le muon et le proton. Cette fois, il n'y a pas de contradiction entre le nouveau, valeur plus précise et les mesures avec d'autres méthodes. "Cela rend l'explication des résultats avec la physique au-delà du modèle standard plus improbable, " dit Kottmann. De plus, ces dernières années, la valeur du rayon du proton déterminé au moyen d'autres méthodes s'est approchée du nombre précis du PSI. "Le puzzle du rayon du proton existe toujours, mais il s'estompe lentement, " dit Kottmann.

"Notre mesure peut être utilisée de différentes manières, " dit Julian Krauth, premier auteur de l'étude :« Le rayon du noyau d'hélium est une pierre de touche importante pour la physique nucléaire. Les noyaux atomiques sont maintenus ensemble par l'interaction dite forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Avec la théorie de l'interaction forte, connue sous le nom de chromodynamique quantique, les physiciens aimeraient pouvoir prédire le rayon du noyau d'hélium et d'autres noyaux atomiques légers avec quelques protons et neutrons. La valeur mesurée avec une extrême précision pour le rayon du noyau d'hélium met ces prédictions à l'épreuve. Cela permet également de tester de nouveaux modèles théoriques de la structure nucléaire et de mieux comprendre les noyaux atomiques.

Les mesures sur l'hélium muonique peuvent également être comparées à des expériences utilisant des atomes et des ions d'hélium normaux. Dans les expériences sur ceux-ci, trop, les transitions énergétiques peuvent être déclenchées et mesurées avec des systèmes laser - ici, bien que, avec des électrons au lieu de muons. Des mesures sur l'hélium électronique sont en cours. En comparant les résultats des deux mesures, il est possible de tirer des conclusions sur des constantes naturelles fondamentales telles que la constante de Rydberg, qui joue un rôle important en mécanique quantique.

Une collaboration avec une longue tradition

Alors que la mesure du rayon du proton n'a réussi qu'après des expériences prolongées, l'expérience du noyau d'hélium a fonctionné tout de suite. "Nous avons eu de la chance que tout se passe bien, " dit Antognini, "car avec notre système laser nous sommes à la limite de la technologie, et quelque chose pourrait facilement tomber en panne."

"Ce sera encore plus difficile avec notre nouveau projet, " ajoute Karsten Schuhmann de l'ETH Zurich. "Nous abordons maintenant le rayon magnétique du proton. Et pour cela, les impulsions laser doivent être 10 fois plus énergétiques."