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Physique
Les protons seraient plus petits qu'on ne le pensait

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64061.htm

Le proton, élément constitutif fondamental de la matière, serait plus petit que ce qui était admis jusqu'à présent. L'expérience a été conduite à l'Institut suisse Paul-Scherrer (PSI) [1] par une équipe internationale [2] autour des physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching (MPQ, Bavière) [3], l'Université Ludwig Maximilian de Munich [4] et l'Institut de recherche sur les lasers de l'Université de Stuttgart (Bade-Wurtemberg). Le proton mesurerait 0,8414 femtomètre (10^(-15) m) et non pas 0,8768 fm [5]. Ce résultat soulève des problèmes dans le monde de la physique : la valeur d'au moins une constante fondamentale serait modifiée et les calculs de l'électrodynamique quantique relativiste seraient à vérifier.

Pour cette nouvelle mesure, les physiciens ont fabriqué des atomes d'hydrogène spéciaux [6], où l'électron est remplacé par un muon (chargé lui aussi négativement) qui gravite autour du noyau (le proton). Comme le muon est 200 fois plus lourd que l'électron, il gravite autour du proton avec une orbite beaucoup plus faible et est donc plus sensible à la taille du proton. A l'aide d'un laser spécialement conçu à cet effet (développé par une équipe de Stuttgart), les chercheurs ont pu mesurer la trajectoire des muons, et ont donc pu en déduire le rayon du proton. Ces expériences ne pouvaient être réalisées qu'au PSI car c'est le seul endroit au monde où il est possible de générer un faisceau de muons d'une intensité suffisante. Cette méthode permet d'établir la taille du proton à partir des propriétés de la trajectoire des muons d'une manière nettement plus précise et donnent un résultat de 4% plus petit que celui admis précédemment.

La différence de taille peut paraitre infime, mais elle est la cause d'essais infructueux dans le passé. Des mesures avaient déjà commencé en 2003 et durant plusieurs années le Prof. Pohl du département de spectroscopie laser du MPQ et ses collègues pensaient que les instruments de mesure n'étaient pas assez précis car aucun signal n'était détecté. "Ce n'était pas dû à l'exactitude de la méthode mais au fait que nous ne pensions pas obtenir une différence de taille si importante".

Les scientifiques discutent encore des possibles causes de la divergence observée. Actuellement tout est mis au banc d'essais : les mesures de précisions antérieures, les calculs intensifs des théoriciens et jusqu'à une remise en cause de la théorie physique la plus validée, celle de l'électrodynamique quantique. "Je pars du principe qu'une erreur de calcul a été faite quelque part, car la théorie de l'électrodynamique quantique est très cohérente et bien établie", affirme le Prof. Pohl. Les physiciens du groupe de travail vérifient cette nouvelle valeur avec des recherches supplémentaires utilisant l'atome d'hydrogène. Une interprétation du résultat est prévue pour 2012. Les scientifiques veulent ensuite adapter leur instrumentation afin de pouvoir mesurer le rayon du noyau d'hélium. Ces expériences devraient révéler comment les noyaux se déforment quand ils interagissent avec une charge négative. Les physiciens veulent ainsi décortiquer pas à pas la structure exacte de la matière, et espèrent déceler de nouvelles énigmes de la physique.

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[1] Institut Paul-Scherrer (IPS) :
L'IPS développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté des chercheurs suisses et internationaux. Les thèmes principaux des recherches qui y sont menées en interne sont la physique sur les solides et les sciences des matériaux, la physique des particules élémentaires, la biologie et la médecine, la recherche énergétique et environnementale. Avec 1.300 collaborateurs et un budget annuel de 260 millions de CHF environ, c'est le principal institut de recherche suisse.
Site internet : http://www.psi.ch/

[2] Le projet est une coopération de nombreuses institutions de différents pays, dont les compétences se trouvent dans les domaines de la physique des accélérateurs, de la physique atomique, de la technologie des lasers et dans le développement de nouveaux détecteurs. Les plus importantes sont :
- Institut Paul Scherrer PSI, Villigen, Suisse
- Institut de physique des particules, Ecole polytechnique fédérale EPF de Zurich, Suisse
- Institut Max-Planck d'optique quantique, Garching près de Munich, Allemagne
- Laboratoire Kastler Brossel, Paris, France
- Departamento de Fisica, Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal
- Institut de recherche sur les lasers, Université de Stuttgart, Stuttgart, Allemagne
- Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart, Allemagne
- Département de physique, université de Fribourg, Fribourg, Suisse

[6] L'atome d'hydrogène comporte un seul proton autour duquel gravite un électron. C'est l'un des systèmes de physique quantique les plus simples et, historiquement parlant, il a souvent été le meilleur matériau pour l'étude des questions fondamentales de la physique. Le lauréat du prix Nobel de physique 2005, Prof. Hänsch, directeur de l'institut Max Planck d'optique quantique et membre de cette équipe de recherche, appelle cet atome d'hydrogène la "pierre de Rosette" de la physique quantique.

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- [3] Site internet de l'Institut d'optique quantique (MPQ) : http://www.mpq.mpg.de/cms/mpqhome/index.html
- [4] Site internet de l'institut de recherche sur les lasers de Stuttgart : http://www.ifsw.uni-stuttgart.de/
- [5] "The size of the proton", Nature 466, 213-216 (8 July 2010)
- Site internet wiki, "proton radius" : https://muhy.web.psi.ch/wiki/

Code brève
ADIT : 64061

- Dépêche idw, communiqué de presse de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) - 07/07/2010 - http://idw-online.de/de/news378045
- "Das Proton - kleiner als gedacht", communiqué de presse de la Société Max Planck - 08/07/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/u5Iqt
- "Le proton est plus petit que ce que l'on pensait", communiqué de presse de l'institut Paul-Scherrer - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/DNS6q

Céline Pitsaer, pitsaer@afast-dfgwt.eu

BE Allemagne numéro 491 (15/07/2010) - Ambassade de France en Allemagne / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64061.htm