Les physiciens sont plus près de connaître la taille d’un proton …

Les physiciens sont plus près de connaître la taille d'un proton ...

Quelle est la taille un proton? Cela peut sembler une question assez simple, mais elle s’est avérée avoir le potentiel de détruire une grande partie de la physique moderne. C’est parce que différentes méthodes de mesure du rayon de charge du proton ont produit des résultats qui ne sont pas d’accord – et pas seulement un peu. Les réponses étaient espacées de quatre écarts types. Mais maintenant, une mesure nouvelle et améliorée les rapproche beaucoup plus, mais pas assez pour que nous puissions considérer le problème résolu.

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Il existe plusieurs façons de mesurer le rayon de charge d’un proton. La première consiste à faire rebondir d’autres particules chargées sur le proton et à déduire sa taille en mesurant les déflexions. Une autre consiste à examiner comment la charge du proton influence le comportement d’un électron en orbite autour d’un atome d’hydrogène, qui se compose d’un seul proton et d’un seul électron. La différence d’énergie entre les différentes orbitales est le produit du rayon de charge du proton. Et, si un électron passe d’une orbitale à une autre, il émettra (ou absorbera) un photon avec une énergie qui correspond à cette différence. Mesurez le photon et vous pouvez revenir à la différence d’énergie, et donc au rayon de charge du proton.

(La longueur d’onde réelle dépend à la fois du rayon de charge et d’une constante physique, vous devez donc mesurer les longueurs d’onde de deux transitions pour obtenir des valeurs pour le rayon de charge et la constante physique. Mais pour les besoins de cet article, nous allons concentrez-vous simplement sur une mesure.)

Un accord approximatif entre ces deux méthodes semblait autrefois laisser la physique en bon état. Mais ensuite, les physiciens ont fait quelque chose de drôle: ils ont remplacé l’électron par son équivalent plus lourd et quelque peu instable, le muon. Selon ce que nous comprenons de la physique, le muon devrait se comporter comme l’électron, à l’exception de la différence de masse. Donc, si vous pouvez mesurer le muon en orbite autour d’un proton dans le bref éclair de temps avant qu’il ne se désintègre, vous devriez être en mesure de produire la même valeur pour le rayon de charge du proton.

Naturellement, il a produit un différent valeur. Et la différence était suffisamment grande pour qu’une simple erreur expérimentale ne l’explique probablement pas.

Si les mesures étaient vraiment différentes, cela indiquerait un grave défaut dans notre compréhension de la physique. Si le muon et l’électron ne se comportent pas de manière équivalente, alors la chromodynamique quantique, une théorie majeure de la physique, est irrémédiablement rompue d’une manière ou d’une autre. Et avoir une théorie brisée est quelque chose qui rend les physiciens très excités.

Le nouveau travail est en grande partie une version améliorée des expériences antérieures en ce qu’il mesure une transition orbitale spécifique dans l’hydrogène standard composé d’un électron et d’un proton. Dans un premier temps, l’hydrogène lui-même a été amené à une température très basse en le faisant passer à travers une buse métallique extrêmement froide lors de son passage dans le récipient sous vide où les mesures ont été effectuées. Cela limite l’impact du bruit thermique sur les mesures.

La deuxième amélioration est que les chercheurs ont travaillé dans la partie ultraviolette du spectre, où des longueurs d’onde plus courtes ont contribué à améliorer la précision. Ils ont mesuré la longueur d’onde des photons émis par les atomes d’hydrogène en utilisant ce qu’on appelle un peigne de fréquences, qui produit des photons à une série de longueurs d’onde régulièrement espacées qui agissent un peu comme les marques sur une règle. Tout cela a permis de mesurer la transition orbitale avec une précision 20 fois plus précise que l’effort précédent de l’équipe.

Le résultat que les chercheurs obtiennent est en désaccord avec les mesures antérieures de l’hydrogène normal (mais pas plus récente). Et c’est beaucoup, beaucoup plus proche des mesures effectuées à l’aide de muons en orbite autour de protons. Donc, du point de vue de la précision de la mécanique quantique, c’est une bonne nouvelle.

Mais ce n’est pas une bonne nouvelle, car les deux résultats sont toujours en dehors des barres d’erreur de l’autre. Une partie du problème est que la masse ajoutée du muon rend les barres d’erreur sur ces expériences extrêmement petites. Cela rend très difficile la cohérence des résultats obtenus avec un électron normal avec les résultats des muons sans les chevaucher complètement. Les auteurs reconnaissent que la différence est susceptible d’être simplement des erreurs qui n’ont pas été prises en compte, citant la perspective «d’effets systématiques dans l’une ou l’autre de ces mesures (ou les deux)». Ces effets pourraient élargir suffisamment l’incertitude pour permettre un chevauchement.

Written by SasukE

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