Les physiciens théoriciens présentent un calcul considérablement amélioré du rayon du proton.

6 octobre 2023

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par Renée Dillinger-Reiter, Université Johannes Gutenberg de Mayence

Un groupe de physiciens théoriques de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a de nouveau réussi à améliorer considérablement leurs calculs du rayon de charge électrique du proton publié en 2021. Pour la première fois, ils ont obtenu un résultat suffisamment précis sans utiliser de données expérimentales.

En ce qui concerne la taille du proton, ces nouveaux calculs favorisent également la plus petite valeur. Parallèlement, les physiciens ont publié pour la première fois une prédiction théorique stable pour le rayon de charge magnétique du proton. Toutes les nouvelles découvertes peuvent être consultées dans trois prépublications publiées sur le serveur arXiv.

Tous les noyaux atomiques connus sont composés de protons et de neutrons, mais de nombreuses caractéristiques de ces nucléons omniprésents restent à comprendre. En particulier, malgré plusieurs années d'efforts, les scientifiques n'ont pas réussi à déterminer le rayon du proton. En 2010, le résultat d'une nouvelle technique de mesure du rayon du proton impliquant la spectroscopie laser de l'hydrogène muonique a causé une sensation - dans ce type "spécial" d'hydrogène, l'électron dans la coquille de l'atome a été remplacé par son parent plus lourd, le muon, qui est une sonde beaucoup plus sensible pour la taille du proton.

Les expérimentateurs ont obtenu une valeur significativement plus petite que celle obtenue à la suite de mesures correspondantes de l'hydrogène "normal" ainsi que de la méthode traditionnelle de détermination du rayon du proton en utilisant la diffusion électron-proton. La grande question que les physiciens se posent depuis lors est de savoir si cette déviation pourrait être une preuve de nouvelles théories au-delà du modèle standard ou simplement refléter les incertitudes systématiques inhérentes aux différentes méthodes de mesure.

Ces dernières années, de plus en plus de preuves suggèrent que la plus petite valeur expérimentale est la bonne, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de nouvelle physique derrière le puzzle du rayon du proton. Les calculs théoriques contribuent de manière significative à répondre de manière définitive à cette question. Déjà en 2021, des chercheurs dirigés par le professeur Dr Hartmut Wittig, de l'Université de Mayence et du Cluster d'excellence PRISMA+, ont réussi à effectuer des calculs de réseau dits sur réseau avec une précision suffisante pour fournir un autre indice fiable sur le plus petit rayon du proton.

"Entre-temps, nous avons fait un autre grand pas en avant", explique Hartmut Wittig. "Par exemple, Miguel Salg, un doctorant de mon groupe de recherche, a obtenu de très bons résultats qui améliorent et étendent encore notre calcul précédent de manière significative."

Il y a deux ans, le groupe de recherche de Mayence avait "seulement" calculé le rayon dit isovectoriel, qui n'est pas le même que le rayon du proton. Ils ont déterminé la valeur publiée à l'époque pour le rayon du proton en ajoutant des données expérimentales pour le rayon du neutron. "Entre-temps, nous avons également calculé les fractions qui manquaient à l'époque, augmenté nos statistiques et mieux contraint les erreurs systématiques, de sorte que nous pouvons maintenant nous passer complètement de données expérimentales pour la première fois", explique Miguel Salg.

"De plus, nous avons pu vérifier dans quelle mesure notre résultat de 2021 est confirmé par un calcul direct complet, et nous avons constaté que nous avions également raison avec la valeur de 2021." "En ce qui concerne le puzzle du rayon du proton, nous pouvons affirmer en toute sécurité que même avec les nouveaux calculs, les preuves continuent de s'accumuler selon lesquelles le rayon du proton est correctement décrit par la plus petite valeur", déclare Hartmut Wittig.

Les calculs des physiciens de Mayence sont basés sur la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Elle décrit l'interaction des forces dans le noyau atomique : l'interaction forte relie les quarks, les éléments constitutifs élémentaires de la matière, pour former des protons et des neutrons et est médiée par des gluons qui agissent comme des particules d'échange. Afin de pouvoir traiter mathématiquement ces processus, les scientifiques de Mayence s'appuient sur ce qu'on appelle la théorie des champs de réseau.

Dans ce cas, comme dans un cristal, les quarks sont répartis sur les points d'un réseau discret d'espace-temps. Des méthodes de simulation spéciales peuvent ensuite être utilisées pour calculer les propriétés des nucléons à l'aide de supercalculateurs : dans une première étape, les soi-disant facteurs de forme électromagnétiques. Ceux-ci décrivent la distribution de la charge électrique et de la magnétisation à l'intérieur du proton. À partir de ceux-ci, à leur tour, le rayon du proton peut être déterminé.

In addition to the electric charge radius, which has been discussed so far, the proton also has a magnetic charge radius, which also poses a puzzle. The Mainz theorists have also calculated this property on the basis of QCD. 'One could illustrate the different radii in a very simplified way by the expansion of an accumulation of electric or magnetic charge given by the proton, which an incoming electron 'sees' in the scattering process,' Hartmut Wittig explains.

The Mainz group also obtained a stable prediction for the magnetic charge radius for the first time, based purely on theoretical calculations. 'Furthermore, from the precise knowledge of the electric and magnetic form factors, we were able to derive for the first time the so-called Zemach radius of the proton purely from QCD, which is an important input quantity for the experimental measurements on muonic hydrogen. This shows once again how far the quality of lattice QCD calculations has advanced in the meantime,' Hartmut Wittig concludes.

Dalibor Djukanovic et al, Precision calculation of the electromagnetic radii of the proton and neutron from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.07491

Dalibor Djukanovic et al, Zemach radius of the proton from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.17232

Journal information: arXiv

Provided by Johannes Gutenberg University Mainz