Le problème de la taille du proton est un problème de la physique nucléaire. Il concerne le rayon de charge du proton, pour lequel des méthodes différentes donnent deux groupes non compatibles de valeurs, autour de .

Mis en évidence en 2010, ce problème est résolu en 2019 par une expérience d' dont la durée a été de 8 années, aboutie en , par une équipe de chercheurs de l'université de York, à Toronto, au Canada, conduite par et son équipe. Finalement, les deux méthodes (hydrogène muonique et classique) donnent des résultats compatibles, mais donnant une valeur numérique légèrement plus petite que les valeurs anciennement admises.

Historique + Mesures récentes du rayon de charge de l'hydrogène. Année Méthode Valeur basse (fm) Valeur haute (fm) 2010 Diffusion e/p 2010 Bilan de CODATA 2010 Transition µ 2S→2P 2013 Transition µ 2S→2P 2014 Bilan de CODATA 2017 Transition e 2S→4P 2018 Transition e 1S→3S 2018 Bilan de CODATA. 2019 Transition e 2S→2P 2019 Diffusion e/p 2026 Transition e 2S→6P .

Pendant des décennies, le rayon de charge du proton était considéré comme connu, deux méthodes différentes donnant des résultats compatibles, l'une par mesure des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène et l'autre par . Le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) officialise en 2010 la valeur .

En 2010, une équipe de chercheurs conduite par l'Allemand à l'Institut Paul Scherrer annonce une nouvelle mesure basée sur un atome d'hydrogène muonique, c'est-à-dire un atome exotique où l'électron du protium a été remplacé par un muon. Alors qu'ils cherchaient à affiner la valeur déjà connue avec une plus grande précision, les chercheurs publient dans Nature un résultat incompatible avec les précédentes mesures.. La valeur qu'ils trouvent, , est inférieure de 4 % à la valeur admise jusque là, ce qui dépasse très largement les incertitudes de mesure. Une nouvelle expérience réalisée en 2013 parvient à , ce qui est en adéquation avec les résultats précédents, sans apporter d’explication à l’écart avec la valeur recommandée par le CODATA.

En 2019, deux équipes différentes annoncent de nouvelles valeurs : . et ., encore des valeurs basses.

En 2026, la mesure de la transition 2S-6P de l'hydrogène atomique donne un résultat (ν = ) en accord avec la prédiction du modèle standard () à la précision relative de (). La valeur du rayon de charge du proton qu'on en déduit () est la plus précise jamais obtenue avec l'électron, et en accord à ce niveau de précision avec celle obtenue avec le muon ().

Cas du deutérium Le rayon de charge du deuton, noyau du deutérium composé d’un proton et d’un neutron a été mesuré en 2016. Comme pour le protium muonique, un atome exotique de deutérium, pour lequel son électron a été remplacé par un muon, a été utilisé pour réaliser la mesure. Les résultats indiquent également que le rayon du deuton est significativement plus petit que la valeur recommandée par le CODATA pour cette grandeur.

Interprétation des résultats Au moment de la publication des résultats sur le deutérium en , l’incompatibilité entre les mesures n’était pas expliquée par les chercheurs. Une des pistes explorées était une erreur dans l’estimation de la constante de Rydberg de l'atome d'hydrogène, mais elle a été mesurée avec précision dans d'autres expériences.

Notes et références

Bibliographie

Catégorie:Problème non résolu en physique Catégorie:Physique nucléaire