Deux expériences précises ont conclu à un rayon du proton d'environ 0,84 femtomètre, s'alignant sur une mesure surprenante de 2010 et résolvant une énigme persistante en physique des particules. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour étudier les transitions électroniques dans les atomes d'hydrogène. Les résultats, publiés dans Nature et Physical Review Letters, renforcent la confiance dans la taille plus petite du proton.
Il y a plus de 15 ans, une expérience menée en 2010 sur un atome d'hydrogène exotique a révélé que le proton pourrait être 4 % plus petit que ce que l'on pensait, déclenchant ainsi l'« énigme du rayon du proton ». Une étude de 2019 a davantage soutenu cette taille plus petite. Désormais, des expériences complémentaires menées par Dylan Yost à l'université d'État du Colorado et Lothar Maisenbacher à l'Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne ont confirmé le rayon à environ 0,84 femtomètre, soit moins d'un milliardième de millionième de mètre. Les deux équipes ont corroboré le résultat de 2010 en utilisant des lasers pour mesurer des transitions énergétiques électroniques jusqu'alors inexplorées dans les atomes d'hydrogène, qui contiennent un proton et un électron dont l'interaction révèle la taille du proton. Les forces électromagnétiques entre les particules influencent les états énergétiques, permettant une détermination précise de la taille malgré des défis tels que le maintien de vides parfaits et l'étalonnage des lasers sur des années d'analyse de données. « Lorsque vous regardez ces données, quelle somme seriez-vous prêt à parier que le rayon du proton est bien celui-là ? Pour moi personnellement, en ce moment, avec ces mesures, les chances de pari augmentent considérablement », a déclaré Yost. Maisenbacher a ajouté : « Il est désormais très, très improbable que cette énigme du rayon du proton existe encore. » Juan Rojo, de l'université libre d'Amsterdam, a souligné la valeur de méthodes diverses : « Le rayon du proton devrait être une propriété universelle ; il devrait donner le même résultat, peu importe la façon dont on l'examine. » Ces résultats s'alignent sur l'électrodynamique quantique avec une précision de 0,5 partie par million, ne laissant aucune place à des divergences liées à de nouvelles particules ou forces. Yost a souligné le potentiel des expériences sur l'hydrogène sur table pour détecter de légères nouvelles particules manquées par les collisionneurs géants.
