Des physiciens théoriciens présentent un calcul considérablement amélioré du rayon du proton

Un groupe de physiciens théoriciens de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a une fois de plus réussi à améliorer considérablement ses calculs du rayon de charge électrique du proton publiés en 2021. Pour la première fois, ils ont obtenu un résultat suffisamment précis sans recourir à des méthodes expérimentales. données.

Concernant la taille du proton, ces nouveaux calculs privilégient également la valeur la plus petite. Parallèlement, les physiciens ont publié pour la première fois une prédiction théorique stable du rayon de charge magnétique du proton. Toutes les nouvelles découvertes peuvent être trouvées dans trois prépublications publiées sur le arXiv serveur.

Tous les noyaux atomiques connus sont constitués de protons et de neutrons, mais bon nombre des caractéristiques de ces nucléons omniprésents restent à comprendre. Plus précisément, malgré plusieurs années d’efforts, les scientifiques n’ont pas réussi à déterminer le rayon du proton. En 2010, le résultat d’une nouvelle technique de mesure du rayon du proton impliquant la spectroscopie laser de l’hydrogène muonique a fait sensation : dans ce type « spécial » d’hydrogène, l’électron dans la coquille de l’atome a été remplacé par son parent plus lourd, le muon, qui est une sonde beaucoup plus sensible à la taille du proton.

Les expérimentateurs sont parvenus à une valeur nettement inférieure à celle trouvée à la suite des mesures correspondantes de l’hydrogène « normal » ainsi que de la méthode traditionnelle de détermination du rayon du proton par diffusion électron-proton. La grande question que se posent depuis lors les physiciens est de savoir si cet écart pourrait être la preuve d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard ou s’il reflète « simplement » des incertitudes systématiques inhérentes aux différentes méthodes de mesure.

L’énigme du rayon du proton a-t-elle été résolue ?

Ces dernières années, il est devenu de plus en plus évident que la valeur expérimentale la plus petite est la bonne, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de nouvelle physique derrière l’énigme du rayon du proton. Les calculs théoriques contribuent de manière significative à répondre définitivement à cette question. En 2021 déjà, des chercheurs dirigés par le professeur Hartmut Wittig du pôle d’excellence PRISMA+ de Mayence ont réussi à effectuer des calculs de réseau avec une précision suffisante pour fournir un autre indice fiable sur le rayon plus petit du proton.

« Entre-temps, nous avons fait un autre grand pas en avant », explique Hartmut Wittig. « Par exemple, Miguel Salg, doctorant dans mon groupe de recherche, a obtenu de très bons résultats qui améliorent et étendent encore une fois considérablement nos calculs antérieurs. »

Il y a deux ans, le groupe de recherche de Mayence avait « seulement » calculé le rayon dit isovecteur, qui n’est pas le même que le rayon du proton. Ils ont déterminé la valeur publiée à l’époque pour le rayon des protons en ajoutant des données expérimentales pour le rayon des neutrons. « Entre-temps, nous avons également calculé les fractions manquantes à l’époque, augmenté nos statistiques et mieux limité les erreurs systématiques, de sorte que nous pouvons désormais pour la première fois nous passer complètement de données expérimentales », explique Miguel Salg.

« De plus, nous avons pu vérifier dans quelle mesure notre résultat 2021 résiste à un calcul direct complet, de sorte que nous avions également raison avec la valeur 2021. » « En ce qui concerne l’énigme du rayon du proton, nous pouvons affirmer avec certitude que même avec les nouveaux calculs, les preuves continuent de croître que le rayon du proton est correctement décrit par la valeur la plus petite », explique Hartmut Wittig.

Les calculs des physiciens de Mayence sont basés sur la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Il décrit l’interaction des forces dans le noyau atomique : l’interaction forte lie les quarks, les éléments constitutifs élémentaires de la matière, pour former des protons et des neutrons et est médiée par les gluons qui agissent comme des particules d’échange. Afin de pouvoir traiter ces processus mathématiquement, les scientifiques de Mayence s’appuient sur ce qu’on appelle la théorie des champs sur réseau.

Dans ce cas, comme dans un cristal, les quarks sont répartis sur les points d’un réseau espace-temps discret. Des méthodes de simulation spéciales peuvent ensuite être utilisées pour calculer les propriétés des nucléons à l’aide de superordinateurs : dans un premier temps, ce que l’on appelle les facteurs de forme électromagnétiques. Ceux-ci décrivent la distribution de la charge électrique et de la magnétisation au sein du proton. À partir de ceux-ci, le rayon du proton peut être déterminé.

Première prédiction théorique stable pour le rayon de charge magnétique

En plus du rayon de charge électrique, dont nous avons parlé jusqu’à présent, le proton possède également un rayon de charge magnétique, ce qui pose également un casse-tête. Les théoriciens de Mayence ont également calculé cette propriété sur la base de la QCD. « On pourrait illustrer les différents rayons de manière très simplifiée par l’expansion d’une accumulation de charge électrique ou magnétique donnée par le proton, qu’un électron entrant » voit « dans le processus de diffusion », explique Hartmut Wittig.

Le groupe de Mayence a également obtenu pour la première fois une prédiction stable du rayon de charge magnétique, basée uniquement sur des calculs théoriques. « De plus, grâce à la connaissance précise des facteurs de forme électriques et magnétiques, nous avons pu déduire pour la première fois le rayon de Zemach du proton uniquement à partir de la QCD, qui constitue une quantité d’entrée importante pour les mesures expérimentales sur l’hydrogène muonique. Cela montre une fois de plus à quel point la qualité des calculs QCD sur réseau a progressé entre-temps », conclut Hartmut Wittig.