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Posté par Adrien le Mercredi 09/08/2017 à 00:00
La masse du proton mesurée plus faible que prévu
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 (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pour la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens...) et la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) (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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...) de la valeur initialement mesurée.


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)

La masse du proton est un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) fondamental en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) atomique et en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi...), influant sur les spectres atomiques et permettant des tests de calculs ultra-précis en électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...) décrivant la manière dont interagissent la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) et la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...). En particulier, la comparaison précise de la masse du proton et de celle de l'antiproton constitue un test important d'une symétrie fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) 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 (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) le plus lourd, à savoir le tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford, dans la...).

Les scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) Max Planck de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) (MPIK) à Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du Land de Bade-Wurtemberg. Le nom de "Heidelberg" provient peut-être de Heidelbeere qui veut dire myrtille en allemand...) et leurs collaborateurs du RIKEN au Japon ont utilisé un dispositif appelé piège de Penning pour stocker des protons isolés et des ions carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) fortement chargés grâce à une combinaison (Une combinaison peut être :) de champs électriques et magnétiques élevés, à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) de 4 degrés Kelvin
(- 269,15 °C). Dans ce piège, le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) les particules à se déplacer en cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle. Celui-ci étant...). 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) sur l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- »...) 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 (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.), réalisées avec soin, ont confirmé une série de valeurs publiées de la masse du proton, et montré qu'aucun effet systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne doit pas être confondue...) 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 (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) dans le piège et en le mesurant simultanément afin d'éliminer les incertitudes dues aux fluctuations du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) suivante de cette expérience auront un effet positif en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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.

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Source: Stefania Pandolfi - Copyright CERN