Le proton est une des particules les plus étudiées par les physiciens. En effet, cette particule composite constituée de trois quarks compose, avec le neutron, l’essentiel de la matière qui nous entoure.

La détermination et la mesure de ses caractéristiques physiques est donc d’une importance capitale pour contraindre et affiner les différents modèles théoriques actuels de la matière. Parmi ces caractéristiques, la masse du proton arrive en tête de liste, et elle vient d’être redéfinie avec une précision inégalée.

La masse du proton : un enjeu majeur de la physique des particules

Les particules se divisent en deux groupes : les bosons et les fermions. Tandis que les bosons véhiculent les interactions fondamentales, les fermions, eux, composent la matière. Le proton est donc un fermion. Plus précisément, c’est un baryon, c’est-à-dire une particule composée de trois quarks. Avec le neutron (qui est également un baryon), il constitue la « matière baryonique » ; la matière baryonique est la matière « classique » composant tous les objets qui nous entourent, des atomes aux galaxies.

proton avec deux quarks

Illustration représentant un proton, composé de deux quarks up (« u ») et d’un quark down (« d »). Crédits : Durham University

Le proton est donc une particule de premier plan dans toutes les théories décrivant la nature et le comportement de la matière. Sa masse est notamment une caractéristique essentielle en physique des particules puisque c’est elle, entre autre, qui détermine la dynamique des électrons autour du noyau atomique.

Elle intervient également dans le mécanisme de la force nucléon-nucléon (la force liant les protons et les neutrons au sein du noyau atomique). Enfin, la masse du proton intervient dans le phénomène de baryogenèse, c’est-à-dire le phénomène à l’origine du déséquilibre matière-antimatière, dans le cas où elle serait différente de la masse de l’antiproton.

La masse du proton est d’ailleurs un paramètre si important qu’elle fait partie de la liste des constantes physiques établie par le CODATA (Comité de données pour la science et la technologie). À ce titre, elle a bénéficié de nombreuses mesures expérimentales. La dernière en date a été effectuée en 2010 et a donné une masse de 1.672622 x 10-27 kg, soit 1.0072765 unités de masse atomique.

Cependant, il y a quelques jours, une collaboration germano-japonaise de l’Institut Max Planck (Allemagne) et du RIKEN (Japon) a fourni une nouvelle valeur de la masse du proton constituant la mesure la plus précise jamais réalisée et publiée dans la revue Physical Review Letters (cf. source 1).

Piéger le proton pour mesurer sa masse

Pour mesurer la masse du proton, les physiciens ont d’abord dû l’isoler. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un dispositif spécifique permettant de stocker le proton : un piège de Penning. Un piège de Penning est un système permettant de stocker n’importe quelle particule chargée (ions ou particules subatomiques) au moyen d’un champ magnétique couplé à un champ électrique.

Une fois dans le piège de Penning, la particule est animée de mouvements oscillatoires sous l’action combinée des deux champs. Elle subit notamment une oscillation cyclotron correspondant à la rotation de la particule, à l’image d’une toupie ; cette oscillation dépend directement de la masse de la particule. Il est ainsi possible de mesurer avec une très grande précision la fréquence de l’oscillation cyclotron et d’en déduire, tout aussi précisément, la masse de la particule piégée.

Cependant, les physiciens ont perfectionné leur piège de Penning afin d’obtenir la mesure la plus précise jamais réalisée jusqu’à maintenant. Pour ce faire, ils ont créé deux compartiments dans le piège de Penning : un stockant un proton et l’autre stockant un ion carbone 12C6+. En effet, le carbone 12 est le nucléide de référence utilisé pour définir l’unité de masse atomique (notée « u ») ; un atome de carbone 12 possède une masse de 12 u. Par conversion, on obtient 1 u = 1,660538921 × 10−27 kg.

Ensuite, le proton et l’ion carbone ont tous les deux été introduits dans le compartiment principal, où ils se sont mis à osciller. Leur fréquence d’oscillation cyclotron a été mesurée et le ratio des valeurs obtenues a permis la détermination directe de la masse du proton en unité de masse atomique.

Pour obtenir une valeur ultra-précise, les scientifiques ont doté leur piège de Penning d’un dispositif particulier. Andreas Mooser (de RIKEN) explique que ce dispositif « permet de mesurer la masse du proton sous les mêmes conditions que pour l’ion carbone, malgré le fait que ce dernier soit 12 fois moins massif et possède une charge 6 fois plus faible ».

schéma dispositif mesure masse proton

Schéma présentant le dispositif utilisé par les physiciens. Les ions sont directement créés dans le mini-EBIT via le faisceau d’électrons (« Electron Gun »). Les protons et les ions carbone sont ensuite stockés dans leur compartiment respectif (« Storage Trap I et II »). Puis ils sont introduits dans le compartiment de mesure (« Measurement Trap »). Crédits : RIKEN

Une nouvelle masse pour le proton

Les physiciens ont ainsi mesuré une nouvelle masse de 1.007276466583(15)(29) u pour le proton (les nombres entre parenthèses sont les incertitudes sur la mesure). Cette valeur est trois fois plus précise que celle fixée par le CODATA en 2010.

Comparée à l’ancienne valeur de 1.0072765 u, cette nouvelle mesure définit donc une masse plus faible pour le proton. Ce dernier est donc plus léger que ce que les scientifiques pensaient. Ces nouveaux résultats permettront d’affiner et de poser des contraintes plus précises sur les modèles physiques de la matière. Klaus Blaum, de l’Institut Max Planck, affirme que ces « résultats, en corrigeant correctement la masse du proton, contribuent à éclairer certaines zones d’ombre théoriques ».

graphe comparaison mesures masse proton derniers annees

Comparaison de la mesure actuelle (en rouge) de la masse du proton aux anciennes mesures effectuées ces dernières années (en gris). Crédits : RIKEN

Toutefois, les chercheurs ne comptent pas s’arrêter là. Selon Florian Köhler-Langes, de l’Institut Max Planck, les physiciens comptent encore améliorer leur dispositif en introduisant un troisième ion de référence dans le compartiment principal, afin d’éliminer les incertitudes de mesure dues aux fluctuations du champ magnétique.

Sources : Physical Review Letters

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