LE CAS DU PROTON QUI RAPETISSE


Itay Yavin et Maxim Pospelov, chercheurs à l’Institut Périmètre, viennent de proposer une nouvelle force de la nature pour expliquer le rapetissement apparent du proton.

Quelle est la taille d’un proton? Cette question était résolue depuis des décennies. Puis, en 2010, une nouvelle technique améliorée a donné une autre réponse – qui contredisait des décennies de mesures soignées. Deux chercheurs de l’Institut Périmètre ont un suspect fascinant dans le cas du proton qui rapetisse : une nouvelle force de la nature.

Avant 2010, la taille du proton était définie et faisait consensus au point où elle figurait aux côtés de la vitesse de la lumière et de la charge de l’électron dans la liste des grandeurs connues. Puis une équipe internationale de plus de 30 chercheurs, dirigée par Randolf Pohl et travaillant à l’Institut Paul-Scherrer en Suisse, a annoncé une nouvelle mesure du rayon du proton. Alors que l’ancienne mesure était de 0,8768 femtomètre, la nouvelle est de 0,841 femtomètre. Même si la différence se compte en millionièmes de milliardième de centimètre, elle est néanmoins énorme en termes relatifs – bien plus grande que ce que l’incertitude expérimentale pourrait expliquer.

Que s’est-il donc passé? Des théoriciens comme Itay Yavin et Maxim Pospelov, professeurs associés à l’Institut Périmètre, ont une idée fascinante – qui postule l’existence d’une nouvelle force de la nature.

Voici le contexte dans lequel s’inscrit cette idée. On peut considérer le proton non comme un point, mais presque comme un nuage de charge. Lorsqu’ils parlent de la « taille du proton », les chercheurs ont en tête la largeur de ce nuage : le terme technique est « rayon de charge ». La méthode la plus ancienne et la plus simple de mesure du rayon de charge du proton consiste à faire diffuser des électrons projetés sur des protons; le bombardement de particules subatomiques par des particules plus petites constitue depuis près d’un siècle la méthode standard de mesure de leur taille. La seconde méthode de mesure d’un rayon de charge consiste à la déduire d’une mesure minutieuse des niveaux d’énergie de l’hydrogène – et c’est là que les choses deviennent particulièrement intéressantes.

L’atome d’hydrogène est le plus simple de la nature : c’est un état lié d’un seul proton et d’un seul électron. Comme dans tous les atomes, l’électron de l’hydrogène peut se présenter dans un niveau d’énergie parmi plusieurs possibles – parfois appelés orbitales atomiques. Étant donné que l’atome d’hydrogène constitue un système particulièrement simple et net, on peut mesurer ses niveaux d’énergie avec beaucoup de précision.

Les niveaux d’énergie de l’hydrogène nous enseignent que la charge de l’unique proton situé en son centre n’est pas concentrée en un point, mais répartie dans un certain espace. Tourner en orbite autour d’un nuage n’est pas la même chose que tourner en orbite autour d’un point, même si les deux ont la même charge. Différentes tailles et densités du nuage se traduisent par des orbites différentes. Réciproquement si l’on observe minutieusement différentes orbites, on peut en déduire la taille du nuage. C’est ce que font les chercheurs lorsqu’ils mesurent le rayon de charge du proton en mesurant les niveaux d’énergie de l’hydrogène.

Pendant des décennies, les deux méthodes de mesure – le bombardement par des électrons et la méthode des niveaux d’énergie de l’hydrogène – ont donné la même valeur (dans les limites des erreurs expérimentales) du rayon de charge du proton. Les deux méthodes sont indépendantes et elles se confirment l’une l’autre de manière si élégante que la communauté des physiciens avait une confiance extrêmement grande en elles. La question du rayon de charge du proton était considérée comme réglée.

Puis il y eut en 2010 la mesure de Pohl, qui faisait appel à de l’hydrogène muonique.

L’hydrogène muonique est de l’hydrogène dont l’électron est remplacé par un muon. Le muon est une particule élémentaire instable ayant une charge identique à celle de l’électron, mais un poids 200 fois plus grand. Tout comme l’hydrogène ordinaire, l’hydrogène muonique possède des niveaux d’énergie. Mais comme le muon est 200 fois plus lourd que l’électron, son orbite est 200 fois plus petite que celle de l’électron de l’hydrogène normal. Les muons sont si près du proton qu’ils traversent presque son nuage de charge.

Comme on peut l’imaginer, à cause de cela, l’effet de la taille du nuage de charge sur l’orbite du muon devrait être beaucoup plus important que dans le cas de l’orbite de l’électron. Pohl et ses collaborateurs escomptaient que l’utilisation de muons donnerait une mesure beaucoup plus précise de la taille du nuage de charge. Ils cherchaient à ajouter quelques positions décimales à un nombre bien connu.

Au lieu de cela, ils sortirent de leur laboratoire en ayant apparemment rapetissé le proton.

Ce résultat est relativement récent, et encore déconcertant pour la communauté des chercheurs. « Il est certainement possible que la réponse réside dans le modèle standard, déclare Itay Yavin. Par exemple, il pourrait y avoir de subtils effets électrodynamiques quantiques expliquant le phénomène. Mais il vaut quand même la peine de se demander si l’explication pourrait résider dans une nouvelle physique. » [traduction]

Dans ce cas-ci, par « nouvelle physique », M. Yavin entend une nouvelle force de la nature. En 2011, Itay Yavin et David Tucker-Smith, de l’Institut d’études avancées de Princeton, ont rédigé un bref article sur la mesure de l’hydrogène muonique. Ils ont soumis l’idée qu’une nouvelle force pourrait entraîner une attraction légèrement plus forte entre muons et protons qu’entre électrons et protons. Plus précisément, ils ont postulé l’existence d’une nouvelle particule porteuse de force, d’une masse d’environ 1 MeV (mégaélectronvolt). Fait intéressant, cette nouvelle force pourrait également résoudre un autre casse-tête : les écarts observés depuis longtemps dans la mesure du rapport gyromagnétique du muon.

Cette proposition ne va pas sans poser de problèmes. Il est facile pour des chercheurs de postuler un nouveau porteur de force qui n’affecte pas les électrons – il peut être couplé à la masse, plutôt qu’à la charge, de sorte que les électrons ne sont pratiquement pas affectés, puisqu’ils sont si légers. Par contre, les chercheurs savent aussi (à partir d’expériences qui ne sont pas présentées ici) que la nouvelle force n’est pas non plus couplée aux neutrons. Et les neutrons ont pourtant une masse. Pour que les neutrons ne soient pas affectés, on pourrait dire que la nouvelle force est couplée à la charge plutôt qu’à la masse – ce qui affecte alors les électrons. La masse et la charge sont les deux seuls canaux évidents d’interaction, et il est donc difficile d’imaginer comment le nouveau porteur de force pourrait fonctionner.

Ce problème a récemment été abordé par un autre professeur associé à l’Institut Périmètre, Maxim Pospelov, avec la collaboration de deux boursiers postdoctoraux, Brian Batell, de l’Institut Périmètre, et David McKeen, de l’Université de Victoria. Ces chercheurs ont trouvé qu’un certain type de photon sombre peut fournir la force nécessaire tout en restant compatible avec le reste du modèle standard. Les photons sont les porteurs hypothétiques de la force électromagnétique sombre, elle aussi hypothétique – sorte de version miroir de l’électromagnétisme qui affecterait la matière sombre de la même manière que l’électromagnétisme affecte la matière ordinaire.

Les photons sombres et l’électromagnétisme sombre sont relativement nouveaux dans le paysage de la recherche sur la matière sombre – cette chose étrange qui constitue 25 pour cent de l’univers, mais dont on n’a pas encore trouvé une seule particule. Le type précis de photon sombre décrit par Maxim Pospelov et ses collaborateurs pourrait constituer un pont entre la matière sombre et le monde ordinaire, ce qui est une idée terriblement excitante.

MM. Yavin et Pospelov ont suggéré des expériences qui permettraient de tester leurs idées.

Pour le moment, le rayon du proton – autrefois connu avec tant de certitude – est devenu un problème ouvert. Il faudra davantage d’expériences et de réflexion pour que les physiciens aient une meilleure idée de ce qui se cache derrière l’écart entre les diverses mesures du rayon du proton. Ce pourrait être rien du tout : un effet subtil de quelque chose de bien connu. Mais ce pourrait être une brèche permettant à la lumière de passer.

Cette question du rayon du proton a récemment fait l’objet d’un article publié dans le magazine New Scientist.

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