Une mesure précise fournit un nouvel aperçu de la physique du proton
Les chercheurs de la collaboration ALPHA du CERN mesurent la structure électrique et magnétique du proton.
Le proton, l’un des éléments constitutifs fondamentaux de la matière, est constitué de particules encore plus fondamentales appelées quarks et gluons. La structure et la dynamique du proton sont complexes et encore mal comprises. Cependant, une connaissance précise de ces propriétés est indispensable pour comprendre de nombreux processus, comme la fusion nucléaire, un candidat prometteur pour assurer notre approvisionnement énergétique du futur, ou les propriétés des étoiles à neutrons.
Les propriétés électriques et magnétiques du proton comptent parmi ses caractéristiques les plus fondamentales. La charge électrique et le moment magnétique, décrivant la force du proton en tant qu'aimant, peuvent être mesurés avec précision dans des expériences dédiées. Des écarts par rapport aux valeurs précisément prévues pour la taille et la force magnétique du proton, telles que données par le modèle standard fondamental de la physique des particules, seraient le signe d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Ces phénomènes jusqu’ici inconnus devraient se produire aux échelles d’énergie et de longueur extrêmement élevées qui caractérisaient l’univers primitif, quelques microsecondes après le Big Bang. Elles constituent des quantités cibles importantes pour le programme de recherche du département de physique des hautes énergies de DESY, car elles détiennent la clé pour comprendre comment notre univers s'est formé.
Une équipe de chercheurs dirigée par des membres de l'Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) et de l'Université de Mayence, tous deux situés en Allemagne, en collaboration avec des collègues d'autres instituts, a utilisé les propriétés uniques des atomes d'antihydrogène pour mesurer la puissance du proton. moment magnétique avec une précision sans précédent. L'antihydrogène est constitué d'un antiproton et d'un antiélectron (appelé positon). Les deux homologues ont une masse égale mais une charge électrique opposée à celle de leurs homologues ordinaires. En conséquence, les mesures effectuées avec de l'antihydrogène permettent d'isoler et de déterminer précisément les propriétés des protons qui sont difficiles voire impossibles à mesurer directement dans l'hydrogène.
Les chercheurs ont créé de l’antihydrogène dans l’appareil ALPHA-2 du décélérateur d’antiprotons du CERN. Le moment magnétique du proton a été mesuré en guidant les antiprotons à travers un champ magnétique et en observant comment leurs spins s'inversent lorsque le champ magnétique est inversé. L'expérience était un véritable défi, car plus de 10 millions d'antiprotons étaient nécessaires pour une seule mesure, un nombre énorme si l'on considère que la production d'un seul antiproton implique généralement des processus sophistiqués en plusieurs étapes qui durent plusieurs jours. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé une technique ingénieuse de « mise en bouteille d’antihydrogène ». Ils ont stocké les antiprotons dans un environnement sous vide ultra poussé pendant plusieurs semaines, ce qui a permis d'utiliser les antiprotons accumulés pour de multiples mesures malgré des taux de production extrêmement faibles.
La combinaison du nouveau résultat ALPHA-2 et des mesures précédentes effectuées à l’Institut Paul Scherrer (Villigen, Suisse) donne la valeur la plus précise du moment magnétique du proton à ce jour et fournit un test rigoureux de l’électrodynamique quantique. Le résultat représente une avancée substantielle sur la voie de l’objectif ultime de la collaboration ALPHA :une comparaison précise entre les propriétés de l’hydrogène et de l’antihydrogène, qui recherchera des indices sur de nouvelles interactions et symétries fondamentales.
