Casse-tête du rayon du proton - Proton radius puzzle
L' énigme du rayon du proton est un problème sans réponse en physique concernant la taille du proton . Historiquement, le rayon de charge du proton a été mesuré par deux méthodes indépendantes, qui ont convergé vers une valeur d'environ 0,877 femtomètre (1 fm = 10 −15 m). Cette valeur a été contestée par une expérience de 2010 utilisant une troisième méthode, qui a produit un rayon d'environ 4% plus petit que cela, à 0,842 femtomètre. De nouveaux résultats expérimentaux rapportés à l'automne 2019 concordent avec la plus petite mesure. Alors que certains pensent que cette différence a été résolue, cette opinion n'est pas encore universellement partagée.
Problème
Avant 2010, le rayon de charge du proton était mesuré à l'aide de l'une des deux méthodes suivantes : l'une reposant sur la spectroscopie et l'autre sur la diffusion nucléaire.
Méthode de spectroscopie
La méthode de spectroscopie utilise les niveaux d'énergie des électrons en orbite autour du noyau. Les valeurs exactes des niveaux d'énergie sont sensibles au rayon nucléaire. Pour l'hydrogène, dont le noyau n'est constitué que d'un proton, cela mesure indirectement le rayon du proton. Les mesures des niveaux d'énergie de l'hydrogène sont maintenant si précises que le rayon du proton est le facteur limitant lorsque l'on compare les résultats expérimentaux aux calculs théoriques. Cette méthode produit un rayon de proton d'environ(8,768 ± 0,069) × 10 −16 m (ou0,8768 ± 0,0069 fm ), avec une incertitude relative d'environ 1 %.
Diffusion nucléaire
La méthode nucléaire est similaire aux expériences de diffusion de Rutherford qui ont établi l'existence du noyau. De petites particules telles que des électrons peuvent être tirées sur un proton, et en mesurant la façon dont les électrons sont dispersés, la taille du proton peut être déduite. Conformément à la méthode de spectroscopie, cela produit un rayon de proton d'environ(8,775 ± 0,005) × 10 −16 m (ou0,8775 fm ).
Expérience 2010
En 2010, Pohl et al. a publié les résultats d'une expérience utilisant l'hydrogène muonique par opposition à l'hydrogène normal. Conceptuellement, cela est similaire à la méthode de spectroscopie. Cependant, la masse beaucoup plus élevée d'un muon le fait orbiter 207 fois plus près qu'un électron du noyau d'hydrogène, où il est par conséquent beaucoup plus sensible à la taille du proton. Le rayon résultant a été enregistré comme0,842 ± 0,001 fm , 5 écarts types (5σ) plus petits que les mesures précédentes. Le rayon nouvellement mesuré est 4% plus petit que les mesures précédentes, qui étaient censées être précises à 1% près. (La limite d'incertitude de la nouvelle mesure de seulement 0,1% contribue de manière négligeable à l'écart.)
Depuis 2010, des mesures supplémentaires utilisant des électrons avec les méthodes précédentes ont légèrement réduit le rayon estimé à (8,751 ± 0,061) × 10 −16 m (0,8751 ± 0,0061 fm ), mais en réduisant encore plus l'incertitude, le désaccord avec l'expérience sur l'hydrogène muonique s'est aggravé à plus de 7σ.
Une expérience de suivi par Pohl et al. en août 2016, a utilisé un atome de deutérium pour créer du deutérium muonique et mesuré le rayon du deutéron. Cette expérience a permis aux mesures d'être 2,7 fois plus précises, mais a également trouvé un écart de 7,5 écarts-types inférieur à la valeur attendue. En 2017, le groupe de Pohl a réalisé une autre expérience, cette fois en utilisant des atomes d'hydrogène qui avaient été excités par deux lasers différents. En mesurant l'énergie libérée lorsque les électrons excités sont retombés dans des états d'énergie inférieure, la constante de Rydberg a pu être calculée, et à partir de là, le rayon du proton a été déduit. Le résultat est à nouveau ~5% plus petit que le rayon du proton généralement accepté. En 2019, une autre expérience a rapporté une mesure de la taille du proton à l'aide d'une méthode indépendante de la constante de Rydberg - son résultat, 0,833 femtomètre, concordait une fois de plus avec la valeur plus petite de 2010.
Résolutions proposées
L'anomalie n'est toujours pas résolue et fait l'objet d'une recherche active. Il n'y a pas encore de raison concluante de douter de la validité des anciennes données. Le souci immédiat est que d'autres groupes reproduisent l'anomalie.
La nature incertaine des preuves expérimentales n'a pas empêché les théoriciens de tenter d'expliquer les résultats contradictoires. Parmi les explications postulées figurent la force à trois corps , les interactions entre la gravité et la force faible , ou une interaction dépendante de la saveur , la gravité de dimension supérieure , un nouveau boson et le quasi-libre
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hypothèse.
Artefact de mesure
Randolf Pohl, l'investigateur original du puzzle, a déclaré que même s'il serait "fantastique" si le puzzle conduisait à une découverte, l'explication la plus probable n'est pas une nouvelle physique mais un artefact de mesure. Son hypothèse personnelle est que les mesures passées ont mal évalué la constante de Rydberg et que la taille officielle actuelle des protons est inexacte.
Calcul chromodynamique quantique
Dans un article de Belushkin et al . (2007) incluant différentes contraintes et une chromodynamique quantique perturbative ont prédit un rayon de proton plus petit que les 0,877 femtomètres qui était la valeur acceptée à l'époque.
Extrapolation du rayon du proton
Des articles de 2016 suggéraient que le problème résidait dans les extrapolations qui avaient généralement été utilisées pour extraire le rayon du proton à partir des données de diffusion des électrons, bien que ces explications nécessiteraient qu'il y ait également un problème avec les mesures de décalage atomique de Lamb.
Méthode d'analyse des données
Dans l'une des tentatives pour résoudre le puzzle sans nouvelle physique, Alarcón et al . (2018), au Jefferson Lab, ont proposé qu'une technique différente pour ajuster les données de diffusion expérimentales d'une manière théoriquement et analytiquement justifiée produise un rayon de charge de proton à partir des données de diffusion d'électrons existantes qui soit cohérente avec la mesure de l'hydrogène muonique. En effet, cette approche attribue la cause du casse-tête du rayon du proton à l'échec de l'utilisation d'une fonction théoriquement motivée pour l'extraction du rayon de charge du proton à partir des données expérimentales. Un autre article récent a souligné comment un changement simple, mais théoriquement motivé par les ajustements précédents, donnera également le plus petit rayon.
Problèmes de cadre de référence relativiste
D'autres chercheurs ont suggéré que l'analyse utilisée pour le rayon de charge du proton basé sur les électrons peut ne pas considérer correctement les cadres de repos des différents composants des expériences, à la lumière de la relativité restreinte. Des facteurs de polarisation dans l'hydrogène muonique qui ne sont pas importants dans l'hydrogène ordinaire ont également été proposés comme solution possible.
Un autre article publié en avril 2019 suggérait que la relativité d'échelle pourrait fournir une réponse basée sur les tailles relativistes des protons et des muons.
Mesures 2019
En septembre 2019, Bezginov et al. ont rapporté la remesure du rayon de charge du proton pour l'hydrogène électronique et ont trouvé un résultat cohérent avec la valeur de Pohl pour l'hydrogène muonique. En novembre, W. Xiong et al. ont rapporté un résultat similaire en utilisant une diffusion d'électrons à transfert de quantité de mouvement extrêmement faible.
Leurs résultats confirment le rayon de charge du proton plus petit, mais n'expliquent pas pourquoi les résultats avant 2010 étaient plus grands. Il est probable que de futures expériences pourront à la fois expliquer et résoudre le casse-tête du rayon du proton.