Le proton, l’un des constituants fondamentaux de la matière, est plus petit que ce que l’on pensait. C’est ce que viennent de montrer les expériences menées par une équipe de recherche internationale à l’Institut Paul Scherrer, à Villigen, en Suisse, et auxquelles a participé Liu Yi-wei, professeur au département de Physique de l’Université nationale Tsing Hua. Les résultats de ces travaux ont été publiés le 8 juillet par la revue scientifique
Nature, qui en a fait sa couverture.
Pour déterminer le rayon des protons, les chercheurs ont remplacé, dans différents atomes d’hydrogène, les électrons par des muons, des particules élémentaires chargées négativement. Ces derniers sont 200 fois plus lourds que les électrons et doivent donc, selon les lois de la physique quantique, évoluer nettement plus près du proton, si bien que les propriétés de leur trajectoire dépendent beaucoup plus fortement de la taille des protons. Il est ainsi possible de déterminer le rayon des protons d’une manière nettement plus précise à partir des propriétés de la trajectoire des muons.
Celles-ci ont été déterminées à l’aide d’un laser à infrarouge pour la conception duquel Liu Yi-wei et son équipe ont tout particulièrement apporté leur expertise. La longueur d’onde d’émission de l’appareil (c'est-à-dire la couleur de la lumière laser) peut être réglée à volonté et son tir déclenché très rapidement. Comme un muon se désintègre en 2 millionièmes de seconde, il faut en effet, pendant ce laps de temps très court, pouvoir réaliser la mesure sur l’hydrogène muonique.
Après dix années d’essais, les chercheurs ont obtenu une valeur inattendue pour le rayon du proton. En effet, il est de 0,84184 femtomètre, au lieu de 0,8768 femtomètre pour les mesures utilisant des électrons (un femtomètre, c’est 10
-15 mètre). Obtenue avec une extrême précision, cette nouvelle mesure du rayon du proton pourrait remettre en cause soit certaines prédictions de l’électrodynamique quantique, l’une des théories fondamentales de la physique quantique, soit la valeur de la constante de Rydberg (constante physique la plus précise à ce jour), a souligné hier Liu Yi-wei.