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Accueil du site > Equipes de recherche > Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux

Détermination du rayon du proton

Quelle est la taille du proton ?

Le proton, l’un des constituants fondamentaux de la matière, pourrait être plus petit que ce que l’on pensait jusqu’à présent. Tel est le résultat obtenu par spectroscopie de l’atome d’hydrogène muonique par une collaboration internationale de physiciens, à laquelle participe l’équipe Métrologie des Systèmes Simples et Tests Fondamentaux du Laboratoire Kastler Brossel. Cette mesure du rayon de charge du proton, qui est en désaccord avec celles obtenues par d’autres méthodes, pourrait remettre en cause certaines prédictions de l’électrodynamique quantique, l’une des théories fondamentales de la physique quantique, ou bien la valeur de la constante de Rydberg (constante physique la plus précise à ce jour).

Ces résultats ont fait la couverture de la revue Nature le 8 juillet 2010, et ont été confirmés par une récente publication dans la revue Science (25 janvier 2013).

- Le proton
- Principe de l’expérience
- Dispositif expérimental
- Résultats
- Publications
- Projets


Site web de la collaboration


Spectroscopie de l’hydrogène muonique et rayon de charge du proton

Principe de l’expérience

Actuellement, une des limitations de la comparaison théorie expérience dans l’atome d’hydrogène est la mauvaise connaissance du rayon de la distribution de charge du proton. En première approximation, ce proton est modélisé par une sphère uniformément chargée en volume. Jusqu’à récemment, le rayon de cette sphère n’etait connu qu’à 2% près ! Or aux précisions expérimentales actuelles, la fréquence calculée des transitions de l’atome d’hydrogène (...)

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Mesure du Lamb shift de l’hydrogène muonique : dispositif expérimental

Le dispositif expérimental utilisé comporte deux parties : la source d’hydrogène muonique et la source laser à 6 µm. Notre groupe, impliqué dans la partie laser, est responsable de l’ensemble titane saphir de la chaîne laser et de la mesure de fréquence du système laser complet. Zone de production de l’hydrogène muonique La source laser La radiation à 6 µm nécessaire à l’excitation de la transition 2S-2P de l’atome d’hydrogène muonique est (...)

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Projets : spectroscopie de l’hélium muonique

La valeur du rayon de charge du proton obtenue par spectroscopie de l’hydrogène muonique diffère de 7 sigma de la valeur donnée par le CODATA 2010. L’origine de ce désaccord n’est pas connue à l’heure actuelle. Pour essayer de résoudre cette énigme, la collaboration internationale réunie autour du rayon du proton prévoit maintenant d’étudier par spectroscopie laser plusieurs transitions 2S-2P dans l’hélium muonique (ions et ). Cette expérience donnera (...)

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Publications

Publications récentes de la collaboration autour de l’hydrogène muonique 2013 Aldo Antognini, François Nez, Karsten Schuhmann, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Marc Diepold, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Andrea L. Gouvea, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Franz Kottmann, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, José A. M. Lopes, Livia Ludhova, Cristina (...)

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Le proton

Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Autour de ces noyaux, gravitent les électrons. Ces trois éléments (protons, neutrons et électrons) constituent pratiquement toute la matière terrestre. Alors que l’électron est considéré comme une particule « sans taille », le proton, qui est constitué de trois quarks, est un objet étendu. Jusqu’à récemment, seules deux méthodes étaient utilisées pour mesurer son rayon, toutes deux en relation avec (...)

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Résultats obtenus dans l’hydrogène muonique

Nous avons observé en 2009 les deux transitions 2S-2P de l’hydrogène muonique indiquées sur la figure ci-dessous. Le signal le plus grand est associé à la transition à partir du niveau 2S (F=1). Des positions des résonances, nous pouvons déduire à la fois le déplacement de Lamb du niveau n=2 et la structure hyperfine du niveau 2S. On obtient respectivement 202,3706(23) meV et 22,8089(51) meV. En comparant le déplacement de Lamb mesuré avec son expression théorique, qui fait (...)

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