Une mesure précise du rayon du proton par spectroscopie laser

(11/4/96) Pour des informations complémentaires,
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Les fréquences optiques ou micro-onde des transitions atomiques sont les grandeurs mesurées avec la plus grande précision en physique. Une transition micro-onde du césium est d'ailleurs utilisée pour la définition de l'unité de temps. Dans le domaine optique, il est maintenant possible de stabiliser la fréquence des lasers avec une précision similaire à celle de l'horloge atomique. Parallèlement, la théorie de l'électrodynamique quantique n'a cessé de progresser. On sait aujourd'hui calculer les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène avec une précision inaccessible dans tout autre domaine de la physique. L'un des termes apparaissant dans l'expression de l'énergie des niveaux est le " déplacement de Lamb " (du nom d'un physicien américain lauréat du Prix Nobel), dont le calcul fait notamment intervenir le rayon du proton. En effet, le proton n'est pas une particule ponctuelle mais possède une distribution spatiale de charge. Une équipe du Laboratoire Kastler-Brossel (CNRS-Ecole normale supérieure- Université Paris 6) a récemment mesuré certaines fréquences de transitions de l'atome d'hydrogène avec une précision suffisante pour que l'effet lié à la distribution de charge du proton soit sensible. A l'aide d'expériences de spectroscopie laser très sophistiquées, ces chercheurs ont pu trancher entre deux mesures divergentes du rayon du proton réalisées antérieurement avec des techniques plus lourdes de diffusion d'électrons.

La théorie de l'électrodynamique quantique permet de calculer les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène avec une précision étonnante (10-11). L'expression des niveaux d'énergie comporte trois termes : un terme principal fourni par l'équation de base de la mécanique quantique relativiste (équation de Dirac), une première correction relativiste tenant compte du recul du proton et un terme appelé " déplacement de Lamb ". Les deux premiers termes sont connus exactement, avec la seule limitation liée aux incertitudes qui affectent les valeurs des constantes fondamentales. Le déplacement de Lamb contient tous les autres termes correctifs, dont l'un dépend du rayon du proton. Si le rayon du proton est de 0,862 femtomètre* (valeur mesurée en 1980), la théorie prévoit un déplacement de Lamb du niveau fondamental de 8 172,802 Mhz ; s'il est de 0,805 femtomètre (valeur mesurée en 1963), le déplacement de Lamb doit être de 8 172,653 Mhz.

La méthode expérimentale utilisée au Laboratoire Kastler-Brossel consiste à mesurer le déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'hydrogène en comparant les fréquences de deux transitions. Ces transitions sont excitées par absorption à deux photons à partir du rayonnement issu d'un laser saphir-titane, l'une directement, l'autre après deux doublages de fréquence successifs. La fréquence du laser, stabilisée par référence à une cavité optique extérieure, varie de moins de 2 Khz par jour. La valeur expérimentale de (8 172,798 ± 0,046) Mhz trouvée pour le déplacement de Lamb du niveau 1S est la plus précise qui ait été obtenue à ce jour. On en déduit un rayon du proton de (0,861 ± 0,020) fm, en accord avec la mesure effectuée en 1980 par diffusion d'électrons.

Ce résultat montre comment la mesure extrêmement précise de certaines grandeurs physiques (ici, les fréquences de transitions de l'atome d'hydrogène), avec un grand nombre de chiffres significatifs, peut conduire à la détermination indirecte de grandeurs n'appartenant pas a priori au même domaine de la physique (ici, le rayon du proton).

Référence :

- Bourzeix S., de Beauvoir B., Nez F., Plimmer M. D., de Tomasi F., Julien L., Biraben F., High resolution spectroscopy of the hydrogen atom : determination of the 1S Lamb shift, Physical review letters, 1996, vol. 76, n¡ 3, pp. 384-387.