12 août 2016

Le deutéron a son énigme, lui aussi

Communiqués de presse Matière et matériaux Recherche avec des muons

Le deutéron – tout comme le proton – est plus petit qu’on ne l’imaginait jusqu’ici

Le deutéron – l’un des noyaux atomiques les plus simples, composé seulement d’un proton et d’un neutron – est nettement plus petit qu’on ne l’avait imaginé jusqu’ici. Ce nouveau résultat, obtenu par un groupe international de recherche qui a mené des expériences à l’Institut Paul Scherrer PSI, va dans le même sens qu’une étude datant de 2010: les chercheurs avaient alors mesuré le proton et obtenu une valeur nettement plus petite que d’autres scientifiques, qui avaient recouru avant eux à des méthodes d’expérimentation différentes. Le résultat de 2010 avait marqué le début de ce qu’on appelle depuis l’énigme du rayon du proton. Le nouveau résultat de mesure de la taille du deutéron révèle à présent une énigme analogue. Il entraînera probablement l’adaptation d’une constante fondamentale en physique, la constante de Rydberg. Autre explication possible: une force physique inconnue à ce jour serait à l’œuvre. Pour leurs mesures, les chercheurs ont mesuré par spectroscopie laser ce qu’on appelle le deutérium muonique: un atome artificiel composé d’un deutéron autour duquel gravite une particule élémentaire exotique dénommée muon. Les expériences ont été menées au PSI, car c’est là que se trouve la plus puissante source de muons du monde, nécessaire à la fabrication de suffisamment deutérium muonique. Les chercheurs ont publié leur nouvelle étude sur la taille du deutéron dans la prestigieuse revue spécialisé Science.




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L'expérience de la détermination du rayon du proton
Le deutéron est plus petit que ne l’indiquaient les mesures effectuées jusqu’ici. Un deutéron est un noyau atomique très simple, composé seulement d’un proton et d’un neutron, autrement dit d’un seul exemplaire des deux composants dont sont formés les noyaux atomiques. A l’Institut Paul Scherrer PSI, une coopération internationale de chercheurs a réalisé les mesures du deutéron les plus précises à ce jour. Or la valeur que ces scientifiques ont obtenue pour le rayon du deutéron ne coïncide pas avec celles obtenues par d’autres groupes de recherche: elle est nettement plus petite.

Au-delà de son caractère contradictoire, ce résultat présente cependant une conformité, car il coïncide avec les résultats obtenus dans le cadre d’autres travaux: en 2010 déjà, le même groupe de recherche au PSI avait mesuré un proton isolé au moyen de la même méthode. Et il s’était avéré alors que le proton était plus petit qu’on ne l’avait imaginé jusque-là. Depuis, la communauté scientifique parle d’énigme du rayon du proton. Une analyse ultérieure de ces données obtenues au PSI a confirmé en 2013 cette valeur inférieure.

Maintenant, c’est donc au tour du deutéron. A la différence qu’aujourd’hui, plus personne dans la communauté scientifique ne pense que notre méthode, la spectroscopie laser, est défectueuse, souligne Aldo Antognini, physicien au PSI. Randolf Pohl, son partenaire de recherche aujourd’hui chercheur à l’Université de Mayence, en Allemagne, ajoute: Après la publication de notre première étude en 2010, je craignais qu’un jour, un physicien chevronné ne se manifeste pour nous rendre attentifs à une bévue grossière. Mais les années ont passé et, à ce jour, il ne s’est rien produit de tel. Voilà même qu’à présent, la nouvelle étude sur la mesure du deutéron vient corroborer l’énigme du rayon du proton. Comme le relève Randolf Pohl: Disons que maintenant, l’énigme s’est doublement confirmée.

Outre les scientifiques du PSI, des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’Institut Max-Planck d’optique quantique (Allemagne), des chercheurs à Paris (France), Coimbra (Portugal), Stuttgart (Allemagne), Fribourg (Suisse) et Hsinchu (Taiwan) ont pris part à cette étude de manière déterminante.

Incitation à de nouvelles expériences

Le nouveau résultat de recherche est plus qu’un redoublement de l’ancienne énigme du rayon du proton: il peut être utile à la recherche de la vérité. Bien entendu, il est impossible que le deutéron – tout comme le proton – ait deux tailles différentes, indique Aldo Antognini. La communauté scientifique cherche donc des explications susceptibles de rétablir l’harmonie entre ces valeurs différentes.

L’une de ces explications possibles est la suivante: une force physique inconnue à ce jour serait à l’œuvre. Ce scénario est excitant pour les scientifiques, mais reste très improbable.

L’existence d’une imprécision au niveau de l’expérience constituerait de fait l’explication la plus vraisemblable: Effectivement, l’énigme serait très vite résolue si l’on postule qu’un problème minimal lié à l’expérience est survenu lors de l’étude de l’atome d’hydrogène par spectroscopie, explique Aldo Antognini. C’est sur cette méthode qu’étaient basées certaines mesures de la taille du proton et de la taille du deutéron effectuées par le passé.

Une autre méthode pour déterminer la taille du proton et celle du deutéron consiste à utiliser la diffusion des électrons. Or la taille du deutéron mesurée par diffusion des électrons coïncide bel et bien avec la nouvelle valeur obtenue par le groupe de recherche au PSI, mais dans l’ensemble, elle présente une imprécision relativement importante.

Pour résoudre l’énigme du rayon du proton, différents groupes de recherche qui avaient recouru à l’étude de l’atome d’hydrogène par spectroscopie ou à la diffusion des électrons, ont commencé il y a déjà quelques années à augmenter les capacités de leurs expériences et à améliorer leur exactitude. C’est quelque chose dont Aldo Antognini et Randolf Pohl sont très fiers: Si notre valeur avait correspondu aux valeurs précédentes, il n’y aurait pas eu cette satanée énigme du rayon du proton; mais il n’y aurait pas eu non plus cette vague qui a débouché dans l’intervalle sur la mise en place de plusieurs dispositifs de mesure extrêmement précis dans le monde entier, rappelle Randolf Pohl. Actuellement, des groupes de recherche à Munich, Paris et Toronto sont en train de mesurer des valeurs plus précises au moyen de l’étude de l’atome d’hydrogène par spectroscopie. Leurs résultats sont attendus pour les années qui viennent.

Une constante physique devra probablement être adaptée

S’il devait bel et bien s’avérer que l’étude de l’atome d’hydrogène par spectroscopie livre une valeur erronée – c’est-à-dire qui présente un décalage minimal –, cela signifierait qu’il faut modifier la constante de Rydberg de manière minimale, explique Aldo Antognini. La constante de Rydberg et le rayon du proton sont deux grandeurs étroitement couplées l’une à l’autre. De toutes les constantes physiques, la constante de Rydberg est celle qui a été déterminée avec le plus de précision jusqu’ici: on connaît même sa onzième place après la virgule. Mais grâce à l’énigme du rayon du proton, il se pourrait que quelque chose change au niveau de cette dernière place après la virgule. Cela aurait des conséquences pour de nombreux domaines de la physique et entraînerait des corrections minimales d’autres constantes naturelles.

Possible seulement à la plus puissante source de muons du monde

Au PSI, les chercheurs ont déterminé la taille du deutéron en commençant par produire des atomes artificiels de deutérium muonique. Ces atomes ont pour noyau un deutéron autour duquel gravite un muon.

La source de muons du PSI est la plus puissante du genre au monde. C’est elle qui a permis d’injecter quelque 300 muons par seconde dans la chambre d’expérience. Une fois à l’intérieur, ces muons sont entrés en collision avec du deutérium gazeux. Ils ont arraché leurs électrons aux atomes de deutérium et ont pris leur place. Résultat: des atomes de deutérium muonique.

Les muons sont des particules élémentaires chargées négativement. Ils sont très similaires aux électrons, mais 200 fois plus lourds que ces derniers. En raison de leur masse plus importante, les muons gravitent beaucoup plus près du noyau atomique et les propriétés de leur trajectoire dépendent bien davantage de la taille de ce même noyau.

Les chercheurs ont tiré parti de cette particularité: à l’aide d’un système laser pulsé extrêmement complexe, développé spécifiquement pour cette expérience, ils ont excité le muon dans cette entité atomique artificielle. La longueur d’onde du laser pouvait être variée de manière continue. Au moment où la bonne longueur d’onde a été atteinte, le muon a été excité pour passer d’un niveau de basse énergie à un niveau supérieur; de là, il est aussitôt retombé à un niveau d’énergie plus basse, tout en émettant un photon dans le domaine des rayons X. La longueur d’onde incidente à laquelle le maximum de photons X a été produit a indiqué la distance énergétique des trajectoires du muon autour du noyau. Or cette distance énergétique dépend largement du rayon du deutéron; les chercheurs ont donc pu déterminer la taille du deutéron sur la base de leur courbe de mesure. Lors de leur étude de 2010, ils avaient mesuré la taille du proton en procédant de manière tout à fait analogue.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
Informations de fonds

Atomes et muons

Tout objet, tout être vivant, toute planète, toute étoile dans l’univers est composé d’atomes. Le centre de chaque atome est formé par son noyau. Celui-ci est constitué de protons et de neutrons, maintenus ensemble par la force nucléaire forte. Les électrons, eux, sont nettement plus petits et gravitent autour du noyau atomique à une distance relativement éloignée.

L’atome le plus simple est celui de l’hydrogène: il est composé uniquement d’un proton (qui forme le noyau à lui seul sans neutron) et d’un électron. Avec un neutron supplémentaire dans le noyau, on obtient un atome de deutérium, dont le noyau appelé deutéron est donc composé d’un neutron et d’un proton. L’atome d’hélium est un peu plus complexe: il est composé de deux protons, d’un ou deux neutrons et de deux électrons qui gravitent autour de ce noyau. Les différents éléments qui se succèdent dans le tableau périodique s’obtiennent par ajout successif de toujours plus de particules de noyau et d’électrons.

Les muons sont aussi des particules élémentaires, mais ce ne sont pas des constituants d’atomes conventionnels. Ils ont une durée de vie très courte, ce qui veut dire qu’ils se désintègrent en d’autres particules quelques millionièmes de seconde après être apparus. Les expériences avec des muons doivent donc être très rapides au niveau de leur déroulement. La source de muons du PSI est la plus puissante au monde. Elle est équipée de plusieurs stations de mesure où des expériences de ce genre peuvent être conduites.

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
(Mise à jour: mai 2016)
Informations supplémentaires
Le proton est plus petit que ce que l'on pensait – Texte du 8 juillet 2010
Une nouvelle énigme du proton – Texte du 25 janvier 2013
Contact
Dr Aldo Antognini, laboratoire de physique des particules, Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, Suisse, et département de physique, EPF de Zurich, 8093 Zurich, Suisse
Téléphone: +41 56 310 46 14, e-mail: aldo.antognini@psi.ch [allemand, anglais, italien]


Dr Randolf Pohl, Institut Max-Planck d'Optique Quantique, 85748 Garching, Allemagne, et Université Johannes Gutenberg de Mayence, 55099 Mainz, Allemagne
Téléphone: +49 17 14 17 07 52, e-mail: randolf.pohl@mpq.mpg.de [allemand, anglais]


Dr Françoise Mulhauser, Institut Max-Planck d'Optique Quantique, 85748 Garching, Allemagne, maintenant: AIEA, 1400 Vienne, Autriche
Téléphone: +43 67 69 15 39 63, e-mail: francoise.mulhauser@gmail.com [anglais, français]
Publication originale
Laser spectroscopy of muonic deuterium
R. Pohl, F. Nez, L.M.P. Fernandes, F.D. Amaro, F. Biraben, J.M.R. Cardoso, D.S. Covita,
A. Dax, S. Dhawan, M.Diepold, A. Giesen, A.L. Gouvea, T. Graf, T.W. Hänsch, P. Indelicato,
L. Julien, P. Knowles, F. Kottmann, E.-O. Le Bigot, Y.-W. Liu, J.A.M. Lopes, L. Ludhova,
C.M.B. Monteiro, F. Mulhauser, T. Nebel, P. Rabinowitz, J.M.F. dos Santos,
L.A. Schaller, K. Schuhmann, C. Schwob, D. Taqqu, J.F.C.A. Veloso, A. Antognini
Science 12 August 2016: Vol. 353, no. 6300, page 669
DOI: 10.1126/science.aaf2468