Quelle est vraiment la taille du proton, cette particule subatomique de charge positive qui, avec le neutron, constitue le noyau des atomes de matière et qui est lui-même composé de trois particules élémentaires appelées des quarks ? Voilà une question que vous ne vous posez sans doute pas tous les jours. Pour les physiciens, en revanche, c'est une interrogation lancinante depuis une dizaine d'années. Tout simplement parce que la réponse pourrait remettre en cause certaines prédictions de l'une des théories fondamentales de la physique quantique, l'électrodynamique quantique – qui décrit les interactions entre la lumière et la matière –, voire faire intervenir de la nouvelle physique.

Tout a commencé en mars 2010 par la publication dans Nature d'une nouvelle étude mettant en cause la valeur jusqu'ici retenue comme étant la taille du proton : 0,877 femtomètre (1 femtomètre = 10 puissance -15 mètre). Selon les résultats de cette étude, la taille de la particule serait en réalité 4 % plus petite et s'établirait autour de 0,842 femtomètre. Or les deux valeurs sont trop différentes pour que les marges d'erreur suffisent à expliquer l'écart les séparant.

Des certitudes ébranlées

Il faut dire aussi qu'auparavant seules deux méthodes avaient été utilisées pour déterminer la taille du proton, toutes basées sur l'étude des interactions entre proton et électron à l'aide d'accélérateurs de particules. Elles s'intéressaient soit aux collisions entre un électron et un proton, soit à l'atome d'hydrogène lui-même constitué d'un électron et d'un proton.

Mais, dans le cas de la mesure de 2010, pour gagner en précision, les chercheurs avaient, pour la première fois, utilisé un atome d'hydrogène au sein duquel l'électron avait été remplacé par un muon, une particule élémentaire également de charge négative mais 200 fois plus lourde que l'électron. De sorte que, selon les lois de la physique, elle évolue aussi 200 fois plus près du proton. De quoi mieux cerner sa taille. Sauf qu'au lieu d'améliorer la précision la mesure a contredit les précédentes ! Depuis lors, les physiciens sont dans l'embarras, les mesures ultérieures n'étant pas parvenues à confirmer ou à infirmer l'un ou l'autre des résultats.

Un proton taille XXS

Du moins jusqu'à la fin de la semaine dernière, quand la célèbre revue Science a publié une nouvelle étude qui pourrait être déterminante dans la résolution de ce casse-tête. Réalisée par l'équipe d'Eric Hessels, de la faculté des sciences de l'Uuniversité York (Toronto, Canada), la nouvelle mesure a été effectuée en s'appuyant sur l'hydrogène classique, dont l'atome est constitué d'un proton et d'un électron. Mais via un nouveau protocole expérimental consistant grosso modo à générer un faisceau d'atomes d'hydrogène en faisant passer des protons à travers une cible d'hydrogène moléculaire gazeux, autrement dit de dihydrogène (H2).

Quant à leur résultat, il conforte l'idée que le proton est effectivement plus petit que ce que l'on pensait auparavant et peut-être plus encore que l'étude de 2010 ne le suggérait. En effet, ils situent la taille du proton à 0,833 femtomètre, soit 5 % de moins que la valeur initialement retenue. « Après huit ans de travail sur cette expérience, nous sommes ravis d'enregistrer une mesure aussi précise qui aide à résoudre le puzzle de l'insaisissable rayon du proton », a déclaré le physicien Eric Hessels. « C'est la mesure la plus compliquée que nous ayons jamais tentée dans notre laboratoire », a-t-il ajouté.

Obtenir une valeur proche de celle de 2010 en utilisant les interactions entre un proton et un électron, et non un muon, semble bien confirmer la surévaluation de la taille de la particule subatomique. Bien sûr elle n'efface en rien les mesures contradictoires obtenues depuis 2010, mais elle fait tout de même pencher la balance. Les théoriciens vont donc devoir mettre les bouchées doubles pour tenter de proposer des explications crédibles à cette dérangeante petite taille du proton ! En matière de science, un casse-tête en cache parfois un autre...