Mesure de l’atome d’hydrogène, décalage de Lamb et rayon de charge du proton

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Étant donné que le noyau d'un atome d'hydrogène est constitué d'un seul proton et que cet atome ne possède qu'un seul électron, l'hydrogène est le modèle de base parfait pour déterminer les propriétés intrinsèques du proton, telles que le rayon de charge du proton, qui est l'étendue spatiale de la distribution de la charge du proton. La valeur du rayon de charge du proton rp , déterminé par les expériences avant 2010, était de 0,8768±0,0069×10⁻¹³ cm. Il était mesuré grâce à des expériences de diffusion élastique électron-proton et à la spectroscopie de l'hydrogène, le rayon du proton étant déterminé en mesurant la différence d'énergie entre deux états électroniques d'un atome d'hydrogène (Décalage de Lamb) à l'aide de la spectroscopie.

Comme le mentionne l'article de la revue scientifique Nature, “selon la mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle que l'électron se trouve à l'intérieur du proton s'il est dans un état sans rotation (un état S). Lorsqu'il est à l'intérieur, l'électron est moins fortement influencé par la charge électrique du proton. Cet effet affaiblit légèrement la liaison entre l'électron et le proton et entraîne un léger décalage de l'énergie de l'état S par rapport aux autres états. La grande précision atteinte à la fois par les expériences et par la théorie de l'électrodynamique quantique permet de mesurer ce décalage d'énergie et, à son tour, de mesurer le rayon du proton”.

_{Figure 1 (tirée de l'article de Nature) : Valeurs du rayon du proton exprimées en femtomètres (1 fm = 10-13cm). Les points de données sont des valeurs du rayon du proton obtenues au cours de la dernière décennie, y compris les derniers résultats, de Bezginov (du groupe Hessels) et al. 4 et Xiong et al. avec les incertitudes indiquées par les barres d'erreur. Les données ont été obtenues à l'aide de trois techniques de mesure différentes : la diffusion électron-proton, la spectroscopie de l'hydrogène ordinaire et la spectroscopie d'un type exotique d'hydrogène appelé hydrogène muonique. Les barres d'erreur pour les deux points de données associés à la spectroscopie de l'hydrogène muonique sont trop petites pour être représentées sur cette figure. Les bandes indiquent les valeurs adoptées par le Committee on Data for Science and Technology (CODATA) en 2014 (0,8751(61)×10exp(-13) cm) et en 2018 (voir go.nature.com/2bwkrqz).}

InEn 2010, Randolf Pohl, de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, en Allemagne, et ses collègues ont mesuré une valeur très précise du rayon du proton en utilisant la spectroscopie de l'hydrogène muonique ; une forme d'hydrogène dans laquelle l'électron est remplacé par une version beaucoup plus lourde de la particule, appelée muon, dont la masse le fait orbiter 207 fois plus près du noyau d'hydrogène que l'électron, ce qui augmente la probabilité que le muon se trouve à l'intérieur du proton et le rend beaucoup plus sensible à la taille du proton. Comme le décalage énergétique associé est environ 8 millions de fois plus important pour l'hydrogène muonique que pour l'hydrogène ordinaire, et comme les muons et les électrons ont la même charge électrique, on aurait pu s'attendre à une augmentation de la précision de la valeur déjà connue du rayon du proton. Les muons et les électrons ont la même charge électrique et appartiennent au même groupe de leptons. Le rayon de charge du proton devrait donc être le même dans les deux systèmes et la communauté a été désorientée lorsqu'elle a obtenu un rayon inférieur de 4 % à celui précédemment accepté, une différence énorme à cette échelle. Ce désaccord, connu sous le nom d'énigme (ou tout simplement de problème) du rayon du proton, a ouvert la possibilité que les protons interagissent différemment avec les muons et les électrons. Une anomalie qui contredirait le modèle standard de la physique des particules et nécessiterait une nouvelle physique pour expliquer pourquoi et dans quelles conditions le proton pourrait se comporter différemment.

Trois ans plus tard, le 25 janvier 2013, la revue Science rapporte les résultats d'Aldo Antognini et al. sur les mesures du rayon de charge du proton. L'équipe a pu obtenir des mesures 1,7 fois plus précises que le résultat de Pohl et al. de 2010 sur l'hydrogène muonique, tout en confirmant les résultats précédents. L'équipe d'Antognini a indiqué 0,84087(39) fm (= 0.84087(39)×10−13 cm) pour le rayon de charge.

À cette époque, en 2013, Haramein publiait son article La gravité quantique et la masse holographique. Les derniers résultats d'Antognini concernant le rayon de charge du proton venaient d'être publiés, jetant de sérieux doutes sur la valeur théorique prédite par le modèle standard. En utilisant la valeur d'Antognini, la prédiction du modèle holographique généralisé pour le rayon du proton est de , ce qui est à moins d'un écart-type (écrit comme 1 σ et étant  ) de ce résultat expérimental.

Puis, une étude réalisée en septembre 2019 par Eric Hessels de l'Université de York au Canada et ses collègues a confirmé par des mesures de spectroscopie que le rayon du proton est le même pour l'hydrogène muonique et électronique. Ils ont mesuré le décalage de Lamb pour les électrons de l'hydrogène ; une mesure analogue à celles de Pohl et de ses coauteurs, mais qui a nécessité des stratégies expérimentales pour atteindre une précision en parties par million. Pour mesurer le décalage de Lamb, les auteurs ont mis au point une méthode expérimentale qui dérive d'une technique utilisée dans les horloges atomiques et qui présente de nombreux avantages techniques par rapport aux autres approches, comme l'élimination des incertitudes systématiques, le filtrage du bruit ambiant et la simplicité de la forme du signal spectral. Cela a permis à Hessels et al. d'effectuer une étude méticuleuse des incertitudes systématiques et d'extraire une valeur précise pour le rayon du proton : 0,833 ± 0,010 femtomètre (1 fm est 10^-13 cm). Ce qui correspond à la valeur de l'équipe de Pohl.

Pendant ce temps, les mesures utilisant la technique de diffusion des électrons (electron-scattering measurements) donnaient toujours une valeur plus élevée pour le rayon du proton. Ashot Gasparian, de la North Carolina A&T State University, et ses collègues ont donc réalisé - dans le cadre de l'expérience PRad (Proton Radius) au Thomas Jefferson National Accelerator Facility, en Virginie - une nouvelle expérience dans laquelle les électrons étaient éjectés hors du proton, dans un gaz d'hydrogène. Afin d'améliorer la précision, les chercheurs ont réduit le bruit de fond en supprimant les fenêtres cibles, qui introduisent des diffusions indésirables, et ont remplacé le spectromètre magnétique généralement utilisé dans les expériences de diffusion électron-proton par un calorimètre électromagnétique qui mesure une plus large gamme d'angles de diffusion (jusqu'à 0,7°) et une plus grande gamme de transferts de momentum. Ces changements ont permis à l'équipe de mesurer simultanément la diffusion électron-électron et d'utiliser ce processus bien connu pour normaliser la section efficace de diffusion et réduire l'incertitude. Ils ont obtenu rp = 0,831 ± 0,007 femtomètre, ce qui confirme la valeur trouvée par les deux expériences précédentes sur l'hydrogène muonique. En outre, leur résultat concorde avec la valeur révisée (annoncée en 2019) de la constante de Rydberg, l'une des constantes fondamentales les plus précisément mesurées en physique.

Toutes ces expériences différentes sur l'électron de l'hydrogène ont systématiquement donné une valeur plus petite pour le rayon du proton, ce qui pourrait résoudre le mystère au niveau expérimental. Cependant, pour le modèle standard, ce n'est pas une bonne nouvelle.

Il est intéressant de noter qu'en 2018, CODATA a actualisé le rayon du proton à celui qui est toujours recommandé, à savoir r_p = 0.8841 x 10^-13 cm, avec une incertitude standard de 0,0019 x 10^-13 cm. Ce changement est intervenu avant les dernières mesures électroniques de l'hydrogène de 2019 donnant 0,833 fm, et qui sont celles qui ont validé l'actualisation de 2018.

Comme il est dit ici : "[...] la meilleure mesure est celle utilisant l'hydrogène muonique r_p = 0.84087(39) fm (ANTOGNINI 2013 ), de loin la plus précise" C'est aussi la prédiction qui est la plus proche de la prédiction de Haramein !

La perspective de RSF

À la lumière de ce qui précède, l'énigme expérimentale a été résolue et il a été déterminé que la divergence avec l'ancienne valeur plus élevée du rayon du proton de 2010 et des années précédentes était probablement due à des erreurs de mesure. Néanmoins, la plupart des médias grand public affirment que ce rayon plus petit ne nécessiterait pas de nouvelle physique car il a donné le même résultat dans l'hydrogène électronique et muonique. Cette affirmation est trompeuse. La prédiction théorique du modèle standard est erronée de 4 %. Il est donc évident que des modifications importantes du modèle standard sont nécessaires. Heureusement, la confirmation du rayon de charge du proton valide le modèle holographique généralisé (représenté en bleu clair, dans la figure ci-dessus)!

En savoir plus: https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20191106a/full/

Voir l'étude: https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1007.full

     

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