La chasse au rayon du proton
Les protons figurent parmi les constituants de toute matière quotidienne. Mesurer précisément ces composants permet non seulement d’avoir un aperçu fondé de leur structure, mais aussi d’affiner l’interaction entre théorie et expérimentation et de faire ainsi évoluer l’édifice de la physique. Dans notre vidéo, nous vous montrons comment les chercheuses et les chercheurs au PSI s’y sont pris pour réussir à mesurer le rayon du proton.
Avec les neutrons électriquement neutres, les protons chargés positivement forment le noyau atomique autour duquel gravitent les électrons chargés négativement. On représente volontiers les protons comme des petites balles rouges et, dans notre vidéo, nous avons dû nous aussi recourir à cette simplification. Mais cette représentation fait souvent oublier que, contrairement à l’électron punctiforme, le proton n’est pas une particule élémentaire, car il est composé à son tour de particules beaucoup plus petites, appelées quarks et gluons. Ces particules confèrent au proton sa charge positive et sa structure: la disposition spatiale des particules donne en effet sa taille au proton et c’est cette taille qu’il s’agit de mesurer.
Pour réaliser cette entreprise, les chercheuses et les chercheurs au PSI ont produit ce qu’on appelle de l’hydrogène muonique: un atome artificiel dont le noyau atomique est composé d’un seul proton, autour duquel gravite un muon chargé négativement. Le PSI est le seul centre de recherche au monde où l’on peut produire suffisamment de muons de basse énergie pour de telles expériences.
La mesure précise du rayon du proton permet de mieux comprendre la structure du proton et, en même temps, elle est la base sur laquelle on s’appuie pour déterminer ce qu’on appelle la constante de Rydberg. Or la constante de Rydberg est la constante fondamentale la plus précisément mesurée en physique. Elle se retrouve dans les unités SI, le système d’unités international où sont définis, entre autres, le kilogramme, le mètre ou encore la seconde. Elle est par ailleurs un pilier important de l’édifice théorique de la physique. Plus le rayon du proton peut être mesuré avec précision, plus la constante de Rydberg peut être définie de manière exacte et plus les modèles d’atomes simples ou de systèmes moléculaires peuvent être calculés précisément.
Dans cette vidéo, nous vous montrons comment les chercheuses et les chercheurs au PSI s’y sont pris pour réussir à mesurer le rayon du proton.
Vous en apprendrez davantage sur ce sujet dans l’édition actuelle de notre magazine 5232 édition 1/2023.
Texte: Institut Paul Scherrer/Benjamin A. Senn
