La taille du proton réévaluée ?

Protons et neutrons ne sont pas des particules ponctuelles, mais sont constitués d'une charge électrique étendue. Vers la fin des années 1960 et au début des années 1970, des scientifiques précisent cette distribution de charges et démontrent l'existence de particules ponctuelles constituant ces nucléons, portant des charges fractionnaires : les quarks. Le proton est ainsi composé de deux quarks up (charge électrique fractionnaire de + 2/3) et d'un quark down (charge électrique fractionnaire de - 1/3), tandis que le neutron se compose d'un quark up et de deux quarks down.

A partir d'expériences de diffusion de faisceaux d'électrons sur des protons, les chercheurs arrivèrent à déterminer le rayon de ce dernier et trouvèrent la valeur de 0,877 femtomètres (1) (à plus ou moins 0,007). Toutefois, dès les années 1970, des physiciens proposent une expérience qui permettrait de préciser encore le rayon du proton, mais le processus technique n'est alors pas mis au point et il faudra attendre ces dernières années pour songer à réaliser l'expérience.

C'est cette expérience qui a été réalisée au Paul Scherrer Institut (PSI) en Suisse. Le principe consiste à remplacer l'électron de l'atome d'hydrogène par un muon, sorte d'électron lourd. Les muons étant 207 fois plus lourds que les électrons, leur orbite quantique autour du proton s'en trouve 207 fois plus proche, ce qui permet d'obtenir des mesures bien plus précises. Les difficultés techniques pour réaliser l'expérience proviennent principalement de l'instabilité de cette particule, ayant une "vie" de deux millionièmes de secondes en moyenne. Il fallait notamment, pour réussir l'expérience, utiliser des impulsions lasers plus courtes que le temps de vie du muon. Une équipe du PSI a réussi cette prouesse, mais le résultat des mesures pause problème : le rayon du proton tombe à une valeur de 0,8418 femtomètre (à plus ou moins 0,0007), ce qui est inconciliable avec le résultat des mesures obtenues à partir d'un faisceau d'électrons, même en tenant compte de la marge d'erreur.

Cette trop importante différence dans le rayon mesuré provient-elle d'une erreur de calcul, ou bien faudrait-il revoir la théorie de l'électrodynamique quantique ? Seules de nouvelles expériences permettront de trancher la question.

(1) 1 femtomètre = 10-15 mètre.

Source : Faut-il revoir la taille du proton ?