La masse du proton précisée grâce au savoir-faire du CERN

Le dispositif Penning utilisé par les scientifiques de MPIK pour des mesures de précision de la masse de particules uniques. (Image : Max Planck Institute for Nuclear Physics)

Une équipe de chercheurs en Allemagne a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse d'un proton unique (le proton est la particule qui – avec le neutron et l'électron – compose l'ensemble de la matière ordinaire dans l'Univers). Elle a découvert que le proton est environ 30 milliardièmes d'un pour cent plus léger qu'on ne le pensait. Ce résultat constitue une amélioration d'un facteur trois de la précision de la valeur admise par le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) – qui recueille et publie régulièrement les valeurs recommandées des constantes physiques fondamentales. Il diverge de la valeur centrale publiée, à un niveau de 3,3 écarts types, ce qui signifie que la nouvelle valeur est sensiblement différente de la valeur initialement mesurée.

La masse du proton est un paramètre fondamental en physique atomique et en physique des particules, influant sur les spectres atomiques et permettant des tests de calculs ultra-précis en électrodynamique quantique, la théorie décrivant la manière dont interagissent la lumière et la matière. En particulier, la comparaison précise de la masse du proton et de celle de l'antiproton constitue un test important d'une symétrie fondamentale du Modèle standard, appelée invariance CPT (charge, parité et temps). Ce résultat pourrait aussi faire la lumière sur d'autres énigmes, par exemple sur les anomalies bien connues dans la masse mesurée de l'isotope d'hydrogène le plus lourd, à savoir le tritium.

Les scientifiques de l'Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) à Heidelberg et leurs collaborateurs du RIKEN au Japon ont utilisé un dispositif appelé piège de Penning pour stocker des protons isolés et des ions carbone fortement chargés grâce à une combinaison de champs électriques et magnétiques élevés, à une température de 4 degrés Kelvin
(- 269,15 °C). Dans ce piège, le champ magnétique force les particules à se déplacer en cercle. On déduit directement la masse du proton de la mesure des fréquences caractéristiques des particules piégées entraînées dans ce mouvement.

Ces détecteurs ultra-sensibles adaptés aux particules isolées ont été développés en partie par l’équipe du RIKEN, grâce à l'expérience acquise avec des pièges similaires destinés à la recherche sur l’antimatière auprès du Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN. « L'équipe animée par Sven Sturm et Klaus Blaum de l'Institut MPIK, à Heidelberg, qui a réalisé la mesure, possède une grande expérience de l'utilisation du carbone ; l'équipe de BASE, quant à elle, a apporté son expérience de 12 ans de travail sur les protons et les antiprotons, explique Stefan Ulmer, chef de groupe au RIKEN et porte-parole de l'expérience BASE auprès de l'AD. Pour réaliser la mesure du rapport charge sur masse du proton et de l'antiproton, nous avons mis en commun des connaissances, notamment sur les détecteurs de protons ultra-sensibles et la méthode d'acheminement rapide, ou fast shuttling, développée par l'équipe de BASE. »

Alors même que des mesures de contrôle, réalisées avec soin, ont confirmé une série de valeurs publiées de la masse du proton, et montré qu'aucun effet systématique imprévu n'a été révélé par la nouvelle méthode, un tel écart par rapport à la valeur admise incitera probablement d'autres équipes à réexaminer la masse du proton. L'écart observé a déjà incité l'équipe de scientifiques des instituts MPIK et RIKEN à améliorer encore la précision de ses mesures, par exemple en stockant un troisième ion dans le piège et en le mesurant simultanément afin d'éliminer les incertitudes dues aux fluctuations du champ magnétique, qui sont la principale source d'erreurs systématiques dans le dispositif.

« Il est aussi prévu d'ajuster le champ magnétique afin d'obtenir une homogénéité encore plus grande, ce qui réduira les sources supplémentaires d'erreurs systématiques, explique Andreas Mooser, membre de l'équipe de BASE. Les méthodes qui seront mises au point lors de la phase suivante de cette expérience auront un effet positif en vue des futures mesures réalisées par l'équipe, par exemple une précision améliorée de la mesure du rapport charge sur masse du proton et de l'antiproton. »

Le résultat a été publié le 18 juillet 2017 dans la revue Physical Review Letters.