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Le problème de la taille du proton est un problème non résolu de la physique nucléaire. Il est mis en évidence en 2010 après la publication de résultats de mesure du rayon de charge du proton, avec une nouvelle méthode qui utilise un atome d'hydrogène muonique, c'est-à-dire un atome exotique d'hydrogène où l'électron a été remplacé par un muon. Cette méthode donne un rayon de charge de 0,8418 fm, contre 0,877 fm pour les mesures précédentes.

Sommaire

Historique des mesuresModifier

Pendant des décennies, le rayon de charge du proton était considéré comme connu, deux méthodes différentes donnant des résultats compatibles, l'une par mesure des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène, l'autre par diffusion des électrons (en)[1]. Le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) donne pour valeur constante 0,877 fm avec une incertitude de mesure de ±0,007[2].

Apparition de la contradictionModifier

En 2010, une équipe de chercheurs conduite par l'Allemand Randolf Pohl (de) à l'Institut Paul Scherrer annonce une nouvelle mesure basée sur un atome d'hydrogène (protium) modifié où l'électron a été remplacé par un muon[3]. Alors qu'ils cherchaient à affiner la valeur déjà connue avec une plus grande précision[1], les chercheurs publient dans Nature un résultat incompatible avec les précédentes mesures[4]. La valeur qu'ils trouvent est inférieure de 4 %, ce qui dépasse les incertitudes de mesure expérimentale.

Une nouvelle expérience réalisée en 2013 parvient à 0,840 87 ± 0,000 39 fm, ce qui est en adéquation avec les résultats précédents, sans apporter d’explication à l’écart avec la valeur recommandée par le CODATA[5],[6].

Cas du deutériumModifier

Le rayon de charge du deuton, noyau du deutérium composé d’un proton et d’un neutron a été mesuré en 2016. Comme pour le protium muonique, un atome exotique de deutérium, pour lequel son électron a été remplacé par un muon, a été utilisé pour réaliser la mesure. Les résultats indiquent également que le rayon du deuton est significativement plus petit que la valeur recommandée par le CODATA pour cette grandeur[7],[8].

Interprétation des résultatsModifier

Au moment de la publication des résultats sur le deutérium en août 2016, l’incompatibilité entre les mesures n’est pas expliquée par les chercheurs. Une des pistes explorées est une erreur dans l’estimation de la constante de Rydberg de l'atome d'hydrogène, mais elle a été mesurée avec précision dans d'autres expériences[7].

Notes et référencesModifier

  1. a et b « Le cas du proton qui rapetisse », sur Perimeter Institute for Theoretical Physics, (consulté le 29 août 2016)
  2. « Quelle est la taille du proton ? », sur CNRS, (consulté le 29 août 2016)
  3. Sylvestre Huet, « La taille du proton trouble la physique », sur Liberation.fr, (consulté le 29 août 2016)
  4. (en) Geoff Brumfiel, « The proton shrinks in size », Nature News, Nature Publishing Group,‎ (DOI doi:10.1038/news.2010.337, lire en ligne)
  5. « Une nouvelle énigme du proton », (consulté le 30 août 2016)
  6. (en) Aldo Antognini et al., « Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen », Science, vol. 339, no 6118,‎ , p. 417-420 (DOI 10.1126/science.1230016)
  7. a et b (en) Aviva Rutkin, « How big is a proton? No one knows exactly, and that’s a problem », sur New Scientist, (consulté le 29 août 2016)
  8. Pohl 2016

BibliographieModifier