Depuis plus d’une décennie, la confusion sur la taille du proton freine les scientifiques. Des mesures en désaccord sur le rayon de la particule subatomique signifiaient que les scientifiques ne pouvaient pas tester l'une de leurs théories clés avec l'extrême précision qu'ils visaient.
Une nouvelle mesure fixe le rayon du proton avec suffisamment de précision pour permettre de tester le modèle standard de physique des particules, qui décrit les particules subatomiques et leurs interactions. La théorie concordait avec l'expérience à plus d'un dixième de milliardième de pour cent, rapportent le physicien Lothar Maisenbacher et ses collègues le 11 février dans Nature.
Les chercheurs ont étudié les atomes d’hydrogène et mesuré la fréquence du rayonnement nécessaire pour faire sauter l’atome entre deux niveaux d’énergie différents. Ces informations, combinées à d’autres mesures, ont révélé que le rayon du proton était d’environ 0,84 billionième de millimètre.
Ce chiffre est en accord avec une multitude de mesures suggérant que la taille du proton est plus petite qu'on ne le pensait, et la mesure est suffisamment précise pour exclure le rayon environ 4 % plus grand trouvé par certaines expériences antérieures.
Cette confirmation du petit rayon du proton a permis aux chercheurs d'utiliser leurs données pour tester le modèle standard. Le modèle standard peut prédire la fréquence du rayonnement nécessaire pour faire sauter l’atome entre les niveaux d’énergie dans leur expérience. Mais une mesure indépendante du rayon du proton est nécessaire. Maintenant que les chercheurs avaient fait la différence entre les grandes et les petites valeurs, ils étaient libres d'utiliser une autre mesure du rayon du proton favorisant la plus petite taille, réalisée avec un type exotique d'hydrogène appelé hydrogène muonique. Il s’agit d’un proton lié à un cousin lourd de l’électron, appelé muon.
La prédiction du modèle standard correspondait à l’expérience, confirmant ainsi la théorie. Plus précisément, il a vérifié un pilier de la théorie appelé électrodynamique quantique, qui décrit les interactions entre les particules chargées électriquement et la lumière.
Les scientifiques s'attendent finalement à trouver un test démontrant l'échec du modèle standard, explique Maisenbacher, qui a effectué les travaux à l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, en Allemagne. La théorie n’explique pas des phénomènes tels que la matière noire, la substance invisible qui contribue à lier les galaxies entre elles. « Ces tests sont importants car nous savons que notre compréhension du monde n'est pas complète. »
