Un Proton de Taille Variable ?

C'est un résultat très mystérieux... Le proton, la particule sans doute la plus connue, qui est la brique élémentaire de tous les noyaux d'atomes (avec son cousin le neutron), et qui forme à lui tout seul le noyau du plus léger d'entre eux, l'hydrogène, peut être mesuré par des techniques très élaborées, par exemple en bombardant des atomes d'hydrogène avec des électrons puis en analysant comment se comportent les niveaux d'excitation des électrons à l'aide de lasers. Ces techniques convergent toutes vers une valeur de 0,87 femtomètres pour le proton (1 fm = 10-15 m, ou si vous préférez un millionième de milliardième de mètre).

C'est ce qu'on pensait depuis toujours (depuis que l'on fait ces mesures). Mais une autre technique un peu similaire existe, et emploie des muons au lieu d'électrons : on bombarde des atomes d'hydrogène avec un faisceau de muons. De cette manière, un muon (qui est un cousin plus lourd de l'électron) peut prendre la place de l'électron de l'atome d'hydrogène.

Ensuite, en excitant les niveaux d'énergie de l'atome muonique produit, on arrive indirectement à la valeur du rayon du proton. 

Schéma du proton composé de 3 quarks.

 Et là, stupeur! Les physiciens ne trouvent pas 0,87 fm, mais 0,84 fm ! La première expérience du genre utilisant des muons remonte à 2010.

Mais voilà qu'aujourd'hui, une nouvelle expérience effectuée là encore avec des muons mais utilisant des niveaux d'énergie d'excitation différents pour l'analyse et le calcul du rayon du proton donne à nouveau une valeur plus faible que celle obtenue avec des électrons : toujours 0,84 fm au lieu de 0,87 fm...  
 Aldo Antognini, du Swiss Federal Institute of Technology de Zurich, qui signe cette annonce dans la revue Science, précise que cette mesure est absolument compatible avec la précédente de 2010 effectuée avec des muons mais pas du tout avec toutes les autres effectuées avec des électrons....

Que ce passe-t-il ?

Personne n'est aujourd'hui capable de comprendre l'origine de cet écart. Les deux types d'expériences ne peuvent pas du tout être remises en cause, les barres d'incertitude sont beaucoup plus faibles que la différence observée...

Serait-ce une découverte inattendue d'une nouvelle physique ? Le muon se comporterait-il différemment de l'électron vis à vis du proton ?  L'effet devrait en tous cas être vraiment faible car il aurait été vu ailleurs, notamment au LHC...

Même si il est difficile d'imaginer une telle différence fondamentale entre les électrons et les muons, il est autant difficile de comprendre ce qui aurait pu clocher dans les expériences.

On en est là aujourd'hui : expérimentateurs et théoriciens se grattent la tête ...

source :

Antognini, A. et al.  

Science 339, 417–420 (2013).